同步发电机的稳态运行特性及概要课件

1、第十六章 同步发电机的稳态运行特性及参数的测定 8/7/20221本章主要内容第一节 空载特性、短路特性、不饱和同步电抗和短路比的求取第二节 零功率因数负载特性及漏电抗的求取第三节 稳态参数的实验测定第四节 同步发电机的运行特性第五节 同步发电机电压调整率及额定励磁电流的求取8/7/20222稳态运行特性曲线是确定电机主要参数、评价电机性能的主要依据。主要变量：电压U、电枢电流I、励磁电流If和功率因数cos。运行特性：当其中两个量保持常数，另外两个量之间的关系称为运行特性。 概 述稳态运行：电机转速保持额定（ ）供给三相对称负载的运行情况。8/7/20223基本特性：稳态运行时，同步发电机的

2、端电压U，电枢电流I，励磁电流If 及功率因数cos之间的函数关系。概 述8/7/20224同步发电机的五个基本特性空载特性短路特性负载特性外特性调整特性表征同步电机特性的主要参数有：同步电抗 漏抗 。8/7/20225 同步发电机的基本特性同步电机的基本特性常用标么值来表示。定子相电压：额定相电压。定子相电流：额定相电流。功 率 ：标么值表示时，基准值的选取：励磁电流：空载时 时的If8/7/20226第一节 空载特性、短路特性、不饱和电抗和短路比的求取 一.空载特性实验测定通过计算或试验得到。由于磁滞现象，上升和下降的磁化曲线不重合，一般规定采用下降曲线表示空载特性，约从1.3UN对应的励

3、磁电流逐步减小。 8/7/20227If=0时有剩磁电动势。将曲线延长与横轴相交，取交点与原点的距离if0为校正值。将实测曲线整体右移得到工程中适用的校正曲线，即过原点的曲线为空载特性曲线。空载特性曲线8/7/20228短路特性：额定转速下，定子三相绕组的出线端持续稳态短路时，定子相电流（即稳态短路电流）与励磁电流的关系。同步发电机的短路特性8/7/20229同步发电机的短路特性短路实验步骤：电枢三相绕组出线端短路。原动机拖动转子至同步速度，调If，使定子短路电流I由零升至1.2IN左右，记下对应的定子短路电流和励磁电流。画出曲线 。8/7/202210短路实验接线图 短路特性 同步发电机的短

4、路特性8/7/202211短路时，限制短路电流的只有发电机的同步阻抗，忽略电枢电阻只考虑同步电抗，短路电流可认为纯感性。 短路时的等效电路 短路时的相矢图 同步发电机的短路特性8/7/202212结论：短路时，定子回路阻抗由纯电感组成，故短路电流Ik滞后 900，此时电枢反应纯去磁。 实验结果及分析 （以凸极机为例）同步发电机的短路特性8/7/202213短路特性曲线为直线。 气隙磁势很小气隙电势很小，整个电机的磁路处于不饱和状态，则有：同步发电机的短路特性8/7/202214I0INIfKIf短路特性曲线 短路特性曲线是一条直线。原因：短路电流可认为是纯感性，即 。 电枢磁动势去磁，气隙合成

5、磁动势小，气隙磁通也很小，磁路不饱和，所以短路特性是一条直线。同步发电机的短路特性8/7/202215此时xd 为不饱和值:短路的等效电路xd的不饱和值的求取 发电机三相对称短路，磁路处于不饱和，则：8/7/202216同步电抗简单测量方法：同步机在同步转速下运转，测开路和短路特性。在同一坐标纸上绘成曲线，并作出气隙线。选一固定的If，求对应 的Ik和对应于气隙线上 的E0，则同步电抗： xd(不饱和)= E0/Ik xd的不饱和值的求取0IfIf0空载特性气隙线IfN短路特性8/7/202217标么值 xd的不饱和值的求取0IfIf0空载特性气隙线IfN短路特性8/7/202218 空载电势

6、等于额定电压时的励磁电流称空载额定励磁电流Ifo，在励磁电流为If0时做三相稳定短路试验测得的短路电流为Ik，与额定电流IN之比叫短路比Kc 。312U IIfIf0IfnIkINUNE00 IfN为短路特性Ik=IN时的励磁电流。短路比的确定8/7/202219利用发电机的空载特性与短路特性求xd的不饱和值和短路比 8/7/202220短路比又可定义成： 空载时使空载电压为额定值的励磁电流If0与短路时使短路电流为额定值的励磁电流IfN的比值。短路比与不饱和电抗的关系短路比的确定 Ks：空载电压为额定值时电机的饱和系数，若磁路不饱和，Ks=1。8/7/202221结论：短路比等于不饱和直轴同

7、步电抗标么值的倒数乘上饱和系数，所以短路比是一个计及饱和影响的参数。短路比的确定 磁路不饱和，Ks=1。 Kc小，Xd大，短路电流小，负载变化时(I变化)，IXd变化大，发电机电压变化率大，稳定性差，但气隙小，造价低。 Kc大，Xd小，气隙大，电机尺寸大，励磁磁势大，成本高，但电压变化率小，稳定性好。8/7/202222短路比的大小对同步电机的影响影响电机的尺寸，短路比大，即 小，气隙就大，转子励磁安匝将增加，导致增加电机用铜量，尺寸和造价 。 短路比大，则 小，负载电流引起的端电压波动幅值较小，但短路电流较大。影响运行静态稳定度，短路比越大，静态稳定极限越大。 通常隐极同步发电机短路比为0.

8、5-0.7，凸极同步发电机短路比为1.0-1.4。8/7/202223 水电站远离负荷中心，输电线路长，稳定问题较突出，所以水轮机有较大短路比，一般在0.81.3之间。随着发电机容量增大，冷却方式的先进，为了提高材料利用率，随机组容量增大短路比降低。国外大型汽轮发电机，短路比有的仅为0.4。 短路比降低，反映单位功率耗材下降。但xd增大后，运行性能差一些。采用自动励磁调节装置，提高运行稳定性，降低短路比可提高电机经济指标。短路比的大小对同步电机的影响8/7/202224第二节 零功率因数负载特性及漏电抗的求取 负载特性:转速为同步转速，负载电流和功率因数为常数时，发电机端电压与励磁电流之间的关

9、系。零功率因数负载特性：8/7/202225发电机nN=n1 ，电枢绕组接可变纯电感负载， 。调If 及负载，使I=IN。保持I=IN，记录不同励磁下U。由试验测零功率因数负载特性8/7/202226当I=0、cos=0时的零功率因数负载曲线就是空载特性曲线，故两曲线有相似的形状。 由试验测零功率因数负载特性8/7/202227零功率负载时的等效电路和相矢图 由试验测零功率因数负载特性8/7/202228由试验测零功率因数负载特性忽略电枢绕组电阻， = 900，即 滞后 90，电枢反应为直轴去磁。U不为零，E = U+IN x，则U不同， E大小不同，产生E的F大小不同，发电机处于不同程度的饱

10、和状态。 8/7/202229由试验测零功率因数负载特性C点为额定电压UN，有： E0 = UN+IN x+ IN xad励磁电流：一部份产生额定端电压，一部份克服漏抗压降，另一部份抵销电枢反应电抗压降。空载时只需产生 额定端电压。有： Ff1=Fa+F。 8/7/202230由试验测零功率因数负载特性 表示额定端电压， 表示If0。零功率因数负载时，保持端电压不变，IfN ( )必须大于If0（ ）以克服漏抗压降和电枢反应的去磁影响。 8/7/202231直轴同步电抗xd饱和值的求取 通过空载、短路和零功率因数负载特性可求xd的饱和值和x。=90，有:UIfIfQA0INUN空载特性零功率因

11、数特性8/7/202232直轴同步电抗xd饱和值的求取 UIfIfQA0INUN空载特性零功率因数特性 QA的长度随电机饱和程度而变，不同的If 有不同的Xd，取U=UN时的Xd为Xd饱和值。 饱和时的Xd比不饱和的Xd小得多。8/7/202233零功率因数特性曲线与空载特性曲线 直轴同步电抗xd饱和值的求取 8/7/202234定子漏抗的求取 U=0时，If= ，其中：OB为克服E的励磁电流，AB为对应的漏抗压降，即 =xId，BC为平衡Ead的励磁电流，EadxadId，ABC的BC为纯去磁的电枢反应磁动势，AB为定子漏抗。 和 均和I成正比。I一定时，ABC固定，此三角形称为同步电机的特

12、性三角形。8/7/202235在零功率因数特性曲线上向上平移ABC的顶点C到额定电压UN时，将 得到ABC ，并且 ，OA/OA。I一定，ABC固定，所以在空载特性曲线上移动ABC的顶点A时，C的轨迹即为零功率因数特性。定子漏抗的求取 定子漏抗8/7/202236得到特性三角形的方法：在UN处作水平线交零功率因数曲线于C，截取 ；过O作OA的平行线交空载特性曲线于A；过A作 ABOC于B，则ABC即为特性三角形 。 定子漏抗的求取 8/7/202237第三节 稳态参数的实验测定 主要参数：xd、xq、x等。前面已经介绍xd和x的一种测定方法。用转差法可测凸极机的xd和xq值。 8/7/2022

13、38励磁绕组开路（或经大电阻短路，以防过电压），If=0；用外力拖动转子转动，使n接近n1，转差率s 1%；定子绕组外加额定频率三相对称电压(低压0.020.15UN)，测量定子电压及对应电流。用示波器拍摄转子励磁绕组开路电压、定子电压和电流波形。 第三节 稳态参数的实验测定 转差法测量同步电抗的实验步骤：8/7/202239转差法试验时转子开路电压及定子电压和电流波形 8/7/202240转子与定子旋转磁场有相对运动，旋转磁场轴线不断和转子d轴或q轴重合，定子电抗随旋转磁场与转子主极相对位置的变化，在xd最大值与xq最小值之间周期性变动。旋转磁场轴线与d 轴一致时，磁阻最小，xd最大，定子电

14、流最小Imin，由于供电线路压降最小，故定子每端电压为最大Umax，忽略定子电阻，则第三节 稳态参数的实验测定 转差法测量同步电抗的实验步骤：8/7/202241XdXadXnn1 U最大，I最小时， 在d 轴上，为直轴同步电抗：第三节 稳态参数的实验测定 转差法测量同步电抗的实验步骤：8/7/202242XqXaqXnn1 U最小，I最大时， 在q轴上，为交轴同步电抗：第三节 稳态参数的实验测定 转差法测量同步电抗的实验步骤：8/7/202243第三节 稳态参数的实验测定 转差法测量同步电抗的实验步骤： 实验时加的低电压，电枢电流较小，磁势较小，磁路不饱和，测得的xd和xq为不饱和值。 8/

15、7/202244第四节 同步发电机的运行特性 有：外特性、调整特性和效率特性。可确定发电机电压调整率、额定励磁电流和额定效率，都是标志同步发电机运行性能的基本数据。 8/7/202245定义:发电机保持额定转速、励磁电流和负载功率因数不变时，端电压与负载电流的关系曲线。 外特性8/7/202246UI0UNcos=0.8(滞后)cos=0.8(超前)cos=1IN当 cos=0.8(滞后)，随I，U，If 为常数，Ff也为常数，电枢反应去磁和漏阻抗压降。cos=1时，随I，U，漏阻抗压降。当cos=0.8(超前)，随I，U，If 为常数，Ff也为常数，电枢反应增磁。 功率因数不同，外特性不同。

16、 外特性8/7/202247同步发电机的外特性 外特性8/7/202248保持 卸去负载，使I=0(空 载)，此时端电压变为E0调发电机的If ，使 此时的If为额定励磁电流IfN 。(电压变化率)UI0UNINE0由外特性求电压变化率8/7/202249u是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应不大于50% ，凸极机的u通常在18%30%以内，隐极机由于电枢反应较强，u通常在3048范围内。采用快速励磁调节器，可自动改变激磁电流使发电机端电压保持不变。由外特性求电压变化率8/7/202250 调整特性 负载改变，发电机端电压也改变，为了维持发电机端电压不变，需调节发电机励磁电流。调整特性定义

17、：当发电机保持额定转速不变，端电压和负载的功率因数恒定时，励磁电流与负载电流的关系。8/7/202251 IfI0U=UNcos=0.8(滞后)cos=0.8(超前)cos=1INIfNcos=0.8(滞后) 和cos=1，当I，电枢反应去磁作用，要保持U=const应使If。cos=0.8(超前) 当I，电枢反应助磁作用，要保持U=const应使If。调整特性8/7/202252 IfI0U=UNcos=0.8(滞后)cos=0.8(超前)cos=1INIfN调整特性注意：发电机额定功率因数一般为0.8（滞后），厂家根据用户要求的额定功率因数设计电机。电机在额定情况下，若功率因数低于额定值，

18、励磁电流将超过额定值，转子绕组将过热。8/7/202253同步发电机的损耗定子铜耗：三相绕组的电阻损耗。定子铁耗：主磁通在定子铁心中引起的铁耗。励磁损耗：包括励磁绕组基本铜耗在内的整个励磁回路中的所有损耗，如果同轴有励磁机，也包括励磁机损耗。机械损耗：轴承和电刷的摩擦损耗以及通风损耗。附加损耗：定子端部漏磁在各金属件内引起的涡流损耗及定转子铁心由齿槽引起的表面损耗，定子高次谐波磁场在转子表面引起的损耗等。8/7/202254同步发电机的总损耗、输入功率、输出功率间的关系同步发电机的损耗8/7/202255效率特性 效率特性：转速为同步速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即nn1，U =UN，cos= cosN时，=f(P2)。8/7/202256同步发电机的效率同步发电机的效率特性 效率也是同步发电机运行性能的重要数据，大型空冷汽轮机效率一般为94%-97.8%，氢冷时，额定效率