电机学 第14章 同步发电机的运行特性.ppt

1、第十四章 同步发电机的运行特性,14-1 同步发电机的空载特性、短路特性和同步电抗的测定 14-2 同步发电机零功率因数负载特性及普梯尔电抗的测定 14-3 同步发电机的外特性和调整特性 *14-4 转差法和取出转子法求参数 小 结,第十四章 同步发电机的运行特性,基本要求： 1.了解同步发电机的空载特性、短路特性、零功率因数负载特性的定义及各特性曲线的特点 2.掌握利用空载特性、短路特性测量同步电抗的方法 3.掌握利用空载特性、零功率因数负载特性测量定子漏电抗的方法 4.了解同步发电机的外特性和调整特性 5.了解低转差法测量同步电抗的原理和方法,第十四章 同步发电机的运行特性,同步发电机稳态

2、运行的主要变量：定子端电压U、负载电流I、励磁电流if和功率因数cos。 同步发电机的运行特性：在转速n保持同步速n1不变、负载功率因数cos不变的条件下，端电压U、负载电流I、励磁电流if 其中一个保持为常数，另外两个量之间的关系。 同步发电机的五种基本特性： （1）空载特性：当I=0时，E0=f(if) （2）短路特性：当U=0时，Ik=f(if) （3）负载特性：当I=常数且cos=常数时，U=f(if) （4）外特性：当if =常数且cos=常数时，U=f(I) （5）调整特性：当U=常数且cos=常数时，if =f(I),1.同步发电机空载特性曲线的测定,14-1 同步发电机的空载特

3、性、短路特性和同步电抗的测定,空载特性：当同步发电机的转速保持为同步转速（n=n1）时，空载电动势E0随励磁电流if变化的关系E0=f (if ) 。,1）空载特性曲线的测定,由于铁磁材料的磁滞现象，通过空载试验测得的空载特性有上升和下降两条分支。,空载特性曲线的校正：If=0时有剩磁电动势，将下降曲线的直线部分延长与横轴交于b点，再将原实测曲线整体右移使b点与原点重合，得到工程中实用的校正曲线。,检查励磁系统的工作情况；,检查电枢绕组的联结是否正确； 了解电机磁路的饱和程度，判断电机设计是否合理。,1）空载特性曲线的测定,2）空载试验的重要作用,磁路的饱和因数：当E0=UN时，磁路饱和时的励

4、磁电流if0和磁路不饱和时的励磁电流ifs之比，用k表示，即,一般， k =1.11.25。,同步发电机的标准空载特性,短路特性：当同步发电机转速为同步速（n=n1），定子三相绕组稳态短路（U=0）时，定子相电流Ik（即稳态短路电流）随励磁电流if变化的关系关系Ik=f(if)。,2.同步发电机的短路特性,1）短路特性曲线的测定,短路特性,短路特性是一条过原点的直线。,以凸极同步发电机为例来分析短路特性。,2）短路特性分析,此时气隙合成磁动势F很小，气隙磁通密度B也很小，电机磁路处于不饱和状态。气隙电动势E 和气隙合成磁动势F成正比。,忽略电枢电阻R，短路运行时，电枢反应为直轴去磁电枢反应。,

5、即短路特性曲线是一条过原点的直线。,2）短路特性分析,短路时电机磁路不饱和，,电枢磁动势正比于电枢电流，,1）隐极同步发电机 同步发电机三相对称短路时，磁路不饱和，有,3.同步发电机的同步电抗和短路比,同步电抗,利用空载特性气隙线和短路特性可以求出同步电抗的不饱和值。,对于凸极同步发电机，利用空载特性气隙线和短路特性求得的电抗是直轴同步电抗Xd的不饱和值。,直轴同步电抗,三相稳态短路时，忽略电枢电阻R，则=90，即,2）凸极同步发电机,例14-1 有一台三相水轮发电机，星形联结，SN=7500kVA，UN=10.5kV，cosN=0.8 (滞后) ，空载、短路试验数据如下： （1）空载特性（E

6、0为线电动势）,（2）短路特性,试求Xd 的不饱和值。,由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为,解：当励磁电流if =250A时，由气隙线可查得空载线电动势为,Xd 的不饱和值为,3）短路比 短路比：当同步发电机空载电动势E0等于额定电压UN时的励磁电流为if0，在励磁电流为if0时的三相稳态短路电流为 IkN，IkN与发电机额定电流IN之比称为短路比Kc，即,短路电流等于额定电流时的励磁电流,式中，k称为饱和因数。,短路比Kc对同步电机性能和造价的影响： Kc大，意味着Xd小， 短路电流大，但负载变化时发电机端电压变化小，并联运行时静态稳定性好。 气隙大，电机尺寸大，励磁磁动势也

7、增大，转子用铜量增加，电机造价高。 Kc小，意味着Xd大， 短路电流小，但负载变化时发电机端电压变化大，并联运行时静态稳定性较差。 气隙小，电机造价低。,短路比Kc的选择：,水电站通常远离负荷中心，输电线路较长，稳定性问题较突出，所以要求水轮发电机有较大的短路比，一般在0.8 1.3之间。 随着同步发电机容量的增大，冷却方式的先进，为了提高材料利用率，随机组容量的增大短路比是逐步降低的。有的大型汽轮发电机，短路比仅为0.4。 现代同步发电机采用快速自动励磁调节装置，可以大大提高电力系统运行的稳定性，短路比可以进一步降低，以提高同步电机的经济指标。,1.零功率因数负载特性 零功率因数负载特性：当

8、同步发电机转速为同步速，带纯电感负载且负载电流I为常数时，定子端电压U随励磁电流if变化的关系。即n=n1，cos=0且I=IN时，U=f(if)。,14-2 同步发电机零功率因数负载特性及普梯尔电抗的测定,零功率因数负载特性曲线和空载特性曲线形状相似。,1.零功率因数负载特性,空载特性,零功率因数 负载特性,忽略电枢绕组电阻，则电枢反应性质为直轴去磁。,1）电磁关系,：克服电枢漏电抗压降作用所需增加的励磁磁动势。,：抵消电枢反应去磁作用所需增加的励磁磁动势；,1）电磁关系,结论：零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个直角三角形kmn，其垂直边km代表定子漏电抗压降，其水平边mn代表与直轴去

9、磁电枢反应磁动势等效的励磁磁动势。,2）零功率因数负载特性与空载特性之间的关系,直角三角形kmn：,零功率因数 负载特性,零功率因数负载时，当U不同时，E的大小也不同，发电机主磁路的饱和程度有所不同。,2）零功率因数负载特性与空载特性之间的关系,I一定时，kmn 固定。,使kmn的底边保持水平，将kmn的顶点k沿空载特性曲线移动，顶点n的轨迹即为零功率因数负载特性。,在零功率因数特性曲线上向上平移kmn的顶点n到额定电压UN时，将得到kmn，并且 ， ok /ok。,2.由空载特性和零功率因数负载特性测定定子漏电抗,作图法求定子漏电抗Xs:,过o作气隙线的平行线，交空载特性于k点；,连接kn，

10、过 k点作on的垂线，交on于m点，得特性三角形 kmn ；, 。,在零功率因数负载特性上任取一点n（一般取额定电压点），过n点作平行于横坐标的水平线，并截取线段 ；,3.普梯尔电抗,由零功率因数负载试验测得的电抗称为普梯尔电抗Xp。,原因：零功率因数负载时，主极漏磁通较大，磁极饱和程度较空载时高，主磁路的磁阻变大，因此同样的气隙合成磁动势产生的气隙磁通和气隙电动势时较空载时略有减小。,14-3 同步发电机的外特性和调整特性,1.同步发电机的外特性 1）外特性 外特性：当n=n1，if =常数且cos=常数时，U=f(I)。,cos=0.8,cos()=0.8,负载性质不同，外特性不同： 在感

11、性负载或纯电阻性负载时，外特性是一条向下倾斜的曲线； 在容性负载时，外特性有可能是一条上翘的曲线。,影响电枢端电压的因素： 电枢反应； 定子的漏阻抗压降。,I ,if 不变,在感性（或纯电阻性）负载时，由于电枢反应的去磁作用，及感性电流引起的漏阻抗压降，随电枢电流I的增大，电枢端电压U是下降的。,当n=n1，if =常数且cos=0.8(滞后)时，,在容性负载且0时, 由于电枢反应的增磁作用，及容性电流引起的漏阻抗压降，随电枢电流I的增大，电枢端电压U是上升的。,I ,if 不变,当n=n1，if =常数且cos=0.8(超前)时， 若900，,额定励磁电流IfN：U=UN、cos=cosN、

12、I=IN时的励磁电流。,2）电压调整率,电压调整率U：同步发电机保持额定转速nN和额定励磁电流ifN不变，从额定负载过渡到空载时，端电压升高的数值与额定电压的比值称为同步发电机的电压调整率，即,凸极发电机：U=(1830)； 隐极发电机：U=(3048)。,采用快速励磁调节装置，可在负载变化时自动改变励磁电流使发电机端电压保持不变。,2.同步发电机的调整特性,n=n1，U=常数且cos=常数时，if =f(I)。,调整特性：当同步发电机转速为同步速不变，负载功率因数为常数时，为保持定子端电压U不变，励磁电流if随负载电流I变化的关系if =f (I )。,感性负载、纯电阻性负载：调整特性是上升

13、的。 容性负载：调整特性有可能是下降的。,*14-4 转差法和取出转子法求参数,1.用转差法试验测同步电机的同步电抗,1）转差法试验 励磁绕组开路，由原动机将凸极同步电机的转子拖动至接近同步转速（s1），在定子上外施额定频率的三相对称低电压（0.020.15UN) ，且使定子旋转磁动势的转向与转子转向一致。用示波器拍摄定子端电压和定子电流的波形。,电枢磁场轴线与转子直轴重合,此时同步电抗最大为Xd ，有,2）原理,直轴同步电抗,电枢磁场轴线与转子交轴重合,此时同步电抗最小为Xq，有,交轴同步电抗,注意：由于外加电压U 很低，磁路不饱和，所以转差法测得的Xd、Xq均为不饱和值。,2.取出转子法测

14、漏电抗,1）方法 试验接线同转差法，取出同步电机的转子，定子绕组外施三相对称低电压（U=6%15%UN），控制电枢电流不超过额定值，测量电枢电压U、电枢电流I和输入功率P（均为一相数值）。,每相阻抗,每相电阻,每相电抗,特点：实测值大于实际值电抗中包含没有转子情况下的电枢反应电抗Xt。 可采用计算法或探测线圈法求出Xt，则,2）原理,特点：实测值大于实际值电抗中包含没有转子情况下的电枢反应电抗Xt。 可采用计算法或探测线圈法求出Xt，则,2）原理,小 结,1.同步发电机的基本特性 （1）空载特性：当n=n1，I=0时，E0=f(if)。 （2） 短路特性：当n=n1，U=0时，Ik =f(if

15、)。 （3）零功率因数负载特性：当n=n1，cos=0且I=常数时，U=f(if)。,2. 同步电抗的测定 利用同步发电机的空载特性和短路特性可以测量同步发电机的同步电抗（直轴同步电抗）的不饱和值。,3.普梯尔电抗的测定 利用同步发电机的空载特性和零功率因数负载特性的试验曲线可以测量同步发电机的普梯尔电抗。,式中 ：普梯尔三角形kmn垂直边的长度。,4.转差法求参数 利用转差法可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。,5.同步发电机的外特性和调整特性 1）外特性：当n=n1，if =常数且cos=常数时，U=f(I)。,2）调整特性：当n=n1， U=常数且cos=常数时，if=f(I)。,电压调整率,零功率