电机第十四章同步发电机运行特性

1、第十四章同步电机的运行特性第十四章 同步电机的运行特性14-1 同步发电机的空载特性和短路特性同步发电机的空载特性和短路特性14-2 同步发电机的零功率因数负载特性、同步发电机的零功率因数负载特性、外特性和调整特性外特性和调整特性14-3 同步发电机的直轴同步电抗和短路同步发电机的直轴同步电抗和短路比比14-5 稳态参数的测定稳态参数的测定本章要点本章要点:14-1 同步发电机的空载特性和短路特性同步发电机的空载特性和短路特性二、短路特性二、短路特性 一、空载特性一、空载特性本节要点本节要点:一、空载特性一、空载特性（一一）什么是空载特性什么是空载特性（二二） 空载特性测试步骤空载特性测试步骤

2、（三三） 空载损耗和铁损耗空载损耗和铁损耗0根据：根据：改变励磁电流改变励磁电流 I即可得到不同的即可得到不同的 和和 E0 。 可绘出在同步电机额定转速可绘出在同步电机额定转速 nN 下，下，E0 与与 If 的关系曲线。的关系曲线。)(0fIfE（一一）什么是空载特性什么是空载特性 空载特性本质上就是空载特性本质上就是电机的磁化曲线，它既可电机的磁化曲线，它既可以用磁路计算又可以用实以用磁路计算又可以用实验测出。验测出。0 000EUfI由于磁滞由于磁滞现象现象 不断增大励磁电流上升空载特性曲线和不断增大励磁电流上升空载特性曲线和由从较高的励磁电流开始逐渐减小的下降空由从较高的励磁电流开始

3、逐渐减小的下降空载特性曲线不重合。载特性曲线不重合。 一般规定应采用下降一般规定应采用下降空载曲线来测试，然后作空载曲线来测试，然后作出适当修正。出适当修正。（二二） 空载特性测试步骤空载特性测试步骤2、逐步降低励磁电流电流、逐步降低励磁电流电流 If 值，读出相值，读出相应的空载电压值，直到应的空载电压值，直到 If = 0 时时 。3、当、当 If = 0 时，时， Uo= E0 0 为剩磁电动势为剩磁电动势延长空载特性与横轴相交。延长空载特性与横轴相交。1、调节励磁电流、调节励磁电流 If 对应对应NUU3.104、将交点的横坐标绝对值、将交点的横坐标绝对值 作为校正量。作为校正量。fo

4、i000EUfINUU3 . 101fI0fi 得出一条通过原点的校正空载曲线，这得出一条通过原点的校正空载曲线，这就是实用的空载特性。就是实用的空载特性。（三三） 空载损耗和铁损耗空载损耗和铁损耗 在进行空载试验时，应测出原动在进行空载试验时，应测出原动机拖动同步发电机所耗的功率，即为机拖动同步发电机所耗的功率，即为发电机的空载损耗发电机的空载损耗 p0空载损耗：空载损耗：Femecppp0mecp是机械损耗是机械损耗Fep是定子铁损耗是定子铁损耗 只有定子铁耗随着空载电压（正比于主只有定子铁耗随着空载电压（正比于主磁通）的变化而变化。磁通）的变化而变化。 由于电机转速保持为同步转速，机械损

5、由于电机转速保持为同步转速，机械损耗恒定不变。耗恒定不变。怎样将铁耗从空载损耗中分离出来？怎样将铁耗从空载损耗中分离出来？ 在试验中，先记录发电机未加在试验中，先记录发电机未加励磁时拖动发电机所需要的功率，励磁时拖动发电机所需要的功率，即被试发电机的机械损耗。即被试发电机的机械损耗。 再从不同励磁时拖动发电机所再从不同励磁时拖动发电机所需要的功率中扣除机械损耗，得到需要的功率中扣除机械损耗，得到定子铁耗。定子铁耗。二、短路特性二、短路特性（一一）什么是短路特性什么是短路特性（二二） 短路特性是一条直线短路特性是一条直线 （三三） 短路特性三角形短路特性三角形 （四四 ）短路损耗与杂散损耗短路损

6、耗与杂散损耗（一一）什么是短路特性什么是短路特性 短路特性是发电机在同步转速下，短路特性是发电机在同步转速下，电枢线端三相稳态短路时，电枢短路电枢线端三相稳态短路时，电枢短路电流电流 IK 与与 励磁电流励磁电流 If 的关系曲线。的关系曲线。（二二）短路特性是一条直线短路特性是一条直线1、同步发电机短路时，磁路处于不饱和状态、同步发电机短路时，磁路处于不饱和状态2、 与与 成正比成正比KIF等效电路等效电路sax I jx I jRIUE00EaxsxRUIaEEE0EaxSxRKIaEEESKKxI jRIE短路时：短路时：R忽略忽略SKxI jE1fF0E 0EaxSxKIaEEEKIa

7、EaFSKxI jE 电枢电阻值远小电枢电阻值远小于同步电抗可以忽略。于同步电抗可以忽略。对于一般的同步发电机：对于一般的同步发电机：2 . 01 . 0sx若取：若取：15. 0sxsKxIE当：当：NKII15.0SxE同步发电机短路时，磁路处于不饱和状态。同步发电机短路时，磁路处于不饱和状态。0 000EUfFCEEF KI2、 与与 成正比成正比FKI1fF0EKIaEaFSKxI jEFafFFFKIEFKaIFKfIFKfII故：故：F Ff f 必然也与必然也与 成正比。成正比。所以短路特性是一条直线。所以短路特性是一条直线。KI0 000EUfICE短路特性短路特性)(fFkI

8、气隙线气隙线三、同步发电机的同步电抗和短路比三、同步发电机的同步电抗和短路比2、同步发电机的短路比、同步发电机的短路比1、同步发电机的同步电抗、同步发电机的同步电抗dx1、同步发电机的同步电抗、同步发电机的同步电抗 利用空载特性气隙线和短路特性可以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。求出同步电抗的不饱和值。aEEE0aEEE0)(aKsKxI jxI jcxI jE0KcIEx00 000EUfI短路特性短路特性)(fFkI气隙线气隙线kIfI0EKcIEx0如果漏电抗如果漏电抗 已知：已知：SxKcIEx0scaxxx对于凸极发电机，短路时忽略电阻压降对于凸极发电机，短路

9、时忽略电阻压降 滞后滞后 KI0E090KdII0qIdKsKadxI jxI jEEE0KdIEx0从空载特性气隙线和短路特性求出相应的从空载特性气隙线和短路特性求出相应的 和和KI0EKdIEx0可得凸极电机直轴同步电抗可得凸极电机直轴同步电抗dx2、同步发电机的短路比、同步发电机的短路比NKNCIIK 当同步发电机空载运行时，空载电动势当同步发电机空载运行时，空载电动势等于额定电压时，所加的励磁电流为等于额定电压时，所加的励磁电流为 保持保持这个励磁电流，在发电机稳态短路时的短路这个励磁电流，在发电机稳态短路时的短路电流为电流为 它与发电机额定电流它与发电机额定电流 之比值就之比值就叫短

10、路比，用叫短路比，用 表示。表示。0fiNICKKNI短路特性短路特性kI0 00EfI气隙线气隙线NKNcIIk0fI0ENUkNIabNIfKIcdfkfII0KEKEE0KCEEK0dNKxIEdNCxIEK0dNNNxIUEU0dNNNxIUEU0dNNNxIUUE0dxK1K 为饱和系数为饱和系数同步发电机短路比对电机影响较大同步发电机短路比对电机影响较大263页页 短路比小就意味着同步电抗大，发电机的短路比小就意味着同步电抗大，发电机的 较大而且并联运行时的稳定度较差。较大而且并联运行时的稳定度较差。%U0EaxSxRUIaEEE1fF0EIaFaEERIUSxI jaxI jas

11、x I jx I jRIUE0247页页2110)(6pKNkDlfxdpa 如果将气隙设计得较大，由于如果将气隙设计得较大，由于气隙磁导减小可减小气隙磁导减小可减小 而使短路而使短路比增大从而改善有关的电机性能，比增大从而改善有关的电机性能，但这却使励磁磁动势和转子用铜量但这却使励磁磁动势和转子用铜量增大而使电机造价提高。增大而使电机造价提高。dx 近年来随着单机容量的增长，近年来随着单机容量的增长，为了提高材料利用率，对短路比为了提高材料利用率，对短路比的要求值是有所降低的。的要求值是有所降低的。 对于汽轮发电机，一般要求对于汽轮发电机，一般要求k kc c=0.41.0=0.41.0。

12、对水轮发电机，则因为水对水轮发电机，则因为水电站输电距离长，稳定性问题电站输电距离长，稳定性问题较严重，对短路比的要求较高，较严重，对短路比的要求较高，一般要求一般要求 k kc c=0.81.8=0.81.8。14-2 同步发电机的零功率因数负载同步发电机的零功率因数负载特性及普梯尔电抗的测定特性及普梯尔电抗的测定2 、由空载特性和特性三角形求取零功由空载特性和特性三角形求取零功 率因数负载特性率因数负载特性1、短路特性三角形、短路特性三角形本节要点本节要点:3 、普梯尔电抗普梯尔电抗 零功率因数负载特性同样和空载特零功率因数负载特性同样和空载特性一样，是发电机的端电压随着励磁电性一样，是发

13、电机的端电压随着励磁电流变化的特性曲线。流变化的特性曲线。 测这条特性曲线的目的，是为了求测这条特性曲线的目的，是为了求电枢绕组的漏电抗。电枢绕组的漏电抗。 保持负载电流保持负载电流 I为一固定的常数。为一固定的常数。同步发电机零功率因数负载特性曲线同步发电机零功率因数负载特性曲线对比空载特性对比空载特性带了负载带了负载带了纯电感负载带了纯电感负载所以功率因数为零所以功率因数为零0cos负载电流负载电流 滞后滞后IU090sx I jUE1fFUIadFEFSxI j在电机的直轴上总磁动势在电机的直轴上总磁动势adadfFkF 1、短路特性三角形、短路特性三角形00EfFEFsIxUadadF

14、kfFknmkmn称为特性三角形称为特性三角形 短路特性三角形短路特性三角形三角形三角形 k m nk m n 称为同步电机的特性三角形称为同步电机的特性三角形底边底边 mn mn 为直轴电枢反应磁动势的折算值。为直轴电枢反应磁动势的折算值。另一直角边另一直角边 km km 为漏电抗压降。为漏电抗压降。0 00UksIxfFnadadFKm 用空载特性和短路实验可用空载特性和短路实验可以确定同步电机额定电流时的以确定同步电机额定电流时的特性三角形。特性三角形。 利用同步电机额定电流时利用同步电机额定电流时的特性三角形，可以求出同步的特性三角形，可以求出同步电机的定子漏电抗电机的定子漏电抗 x

15、xs s 。 利用同步电机额定电流时利用同步电机额定电流时的特性三角形，还可以求出同的特性三角形，还可以求出同步电机的直轴磁动势步电机的直轴磁动势 F Fad ad 。2、零功率因数负载特性、零功率因数负载特性什么是零功率数负载特性什么是零功率数负载特性零功率数负载特性的测试方式零功率数负载特性的测试方式零功率因数负载特性的分析零功率因数负载特性的分析什么是零功率数负载特性什么是零功率数负载特性 零功率数负载特性是指转速为同步零功率数负载特性是指转速为同步速度，负载电流和功率因数为常数值时，速度，负载电流和功率因数为常数值时，发电机的端电压与励磁电流之间的关系发电机的端电压与励磁电流之间的关系

16、曲线。曲线。)(fIfU 注意：注意：零功率数负载特性与零功率数负载特性与空载特性的区别空载特性的区别 不同的负载电流和功率因不同的负载电流和功率因数有它对应的零功率数负载特数有它对应的零功率数负载特性。性。0 000EUfI不同功率因数时的负载特性不同功率因数时的负载特性空载特性空载特性0cos8 . 0cos1cos 负载特性是恒电流特性，其中负载特性是恒电流特性，其中最有意义的是最有意义的是 I IN N = = 常数、常数、 的的零功率因数负载特性零功率因数负载特性。0cos（二）零功率数负载特性的测试方式（二）零功率数负载特性的测试方式1、试验时，把同步发电机拖动到同步转速。、试验时

17、，把同步发电机拖动到同步转速。2、电枢绕组接到可变的三相纯电感对称负、电枢绕组接到可变的三相纯电感对称负 载使载使3、调节励磁电流和负载电抗，使负载电流、调节励磁电流和负载电抗，使负载电流 保持为一常值（保持为一常值（ I = IN ) 。0cos0 000EUfI零功率因数时的负载特性零功率因数时的负载特性空载特性空载特性0cosNUU NKIIfKIIxU 若使负载电流若使负载电流 保持为一常值。保持为一常值。 I = INU 将随着电抗将随着电抗 x 值成正比变化。值成正比变化。U1fI111144. 4dpKNf)(fIfU （三三）零功率因数负载特性的分析零功率因数负载特性的分析1、

18、零功率因数负载时空矢量图零功率因数负载时空矢量图2、零功率因数负载特性与空载特性、零功率因数负载特性与空载特性 之间相差一个特性三角形。之间相差一个特性三角形。忽略电枢电阻忽略电枢电阻 R 时的零功率因数负载的矢量图时的零功率因数负载的矢量图此时：此时：90电枢电动势是去磁的直轴磁动势。电枢电动势是去磁的直轴磁动势。1、零功率因数负载零功率因数负载时空矢量图时空矢量图1fF0E0EaxSxIaEEEIadEadFE 电枢电阻值远小电枢电阻值远小于同步电抗可以忽略。于同步电抗可以忽略。UFUsxI jsIxUEafFFF1fF0EIadEadFEFUsxI j2、零功率因数负载特性与空载特性、零

19、功率因数负载特性与空载特性之间相差一个特性三角形之间相差一个特性三角形 不管电机的端电压随着励磁电流不管电机的端电压随着励磁电流如何变化这个直角三角形的大小不变如何变化这个直角三角形的大小不变NUU 0 0UfIfKImnk3l1lmk2lmklm 线段，是由于漏电抗压降线段，是由于漏电抗压降 产生产生的磁动势的磁动势sIx0 0UfIfKINUU mnk3l1lmk2lmk因为饱和的原因，因为饱和的原因， 越来越长越来越长lm如何求同步电机的漏电抗如何求同步电机的漏电抗Ikmxs如何求特性三角形如何求特性三角形0 0UfIfKInln3lkmIkmxs266页页 根据零功率因素负载特性求出的

20、电抗比根据零功率因素负载特性求出的电抗比漏电抗漏电抗 要大些称为普梯尔电抗要大些称为普梯尔电抗sxpx14-3 同步发电机的外特性和调整特性同步发电机的外特性和调整特性一、外特性一、外特性1、什么是外特性、什么是外特性3、从外特性求发电机的电压变化率、从外特性求发电机的电压变化率2、不同负载的外特性、不同负载的外特性1、什么是外特性什么是外特性 外特性是发电机在：外特性是发电机在： 常数cosNnn常数fI端电压端电压 U 和负载电流和负载电流 I 关系曲线。关系曲线。 外特性既可以直接测出，外特性既可以直接测出，也可以用作图法间接求出。也可以用作图法间接求出。2 2、同步发电机不同负载的外特

21、性、同步发电机不同负载的外特性 （1 1）同步发电机带纯电阻负载同步发电机带纯电阻负载（2 2）同步发电机带电感性负载同步发电机带电感性负载 （3 3）同步发电机带电容性负载同步发电机带电容性负载0EaxSxRUIaEEE1fF0EIRIUsxI jaxI j(1) 纯电阻负载纯电阻负载RIU0UINUNI1cos00EU1fF0EIRIUSxI jaxI j(2) 电感负载电感负载0EaxSxRUIaEEERLIU0UINUNI1cos8 . 0cos滞后滞后 在感性负载和纯电阻负载时，在感性负载和纯电阻负载时，电枢反应均有去磁作用，而且定电枢反应均有去磁作用，而且定子漏阻抗压降也使端电压减

22、小。子漏阻抗压降也使端电压减小。 所以外特性都是下降的。所以外特性都是下降的。0EaxSxRUIaEEE1fF0EIRIUSxI jaxI j(3) 电容负载电容负载CRIU0UINUNI1cos8 . 0cos滞后滞后8 . 0cos超前超前3、从外特性求发电机的电压变化率、从外特性求发电机的电压变化率(1) 调节发电机的励磁电流调节发电机的励磁电流 If ，使，使:NII NcoscosNUU 此时的励磁电流此时的励磁电流 If N ，称为额定励磁电流。，称为额定励磁电流。 (2) 保持此励磁电流保持此励磁电流 If N 和转速不变，卸去负和转速不变，卸去负 载，得到外特性上载，得到外特性

23、上I = 0所对应的点，此时所对应的点，此时 U=E00UINUNI0EU同步发电机的电压变化率：同步发电机的电压变化率：%1000NNUUEU 电压变化率是同步发电机的电压变化率是同步发电机的一项运行数据。一项运行数据。 从前，发电机端电压主要靠值班从前，发电机端电压主要靠值班人员手动操作来调整时，对人员手动操作来调整时，对 的数的数据要求很严，以免电网电压波动太大。据要求很严，以免电网电压波动太大。 %U 现代的同步发电机都装有快速的现代的同步发电机都装有快速的自动调压装置，可随时自动调整励磁自动调压装置，可随时自动调整励磁以维持电压基本不变。以维持电压基本不变。 所以对所以对 限定值的要

24、求已大为限定值的要求已大为放宽。放宽。%U 只是为了防止因故障跳闸切断负载只是为了防止因故障跳闸切断负载时电压上升太多而击穿绝缘，要求时电压上升太多而击穿绝缘，要求 小于小于50%。 近代凸极同步发电机实际的近代凸极同步发电机实际的 值约为值约为1830%以内。以内。%U%U 而汽轮发电机由于同步电抗而汽轮发电机由于同步电抗值较大，值较大， 值约为值约为30 48%以以内。内。%U二二、调节特性调节特性 由外特性可见，当发电机的负载电由外特性可见，当发电机的负载电流流 I 变化时，为保持电机端电压不变，变化时，为保持电机端电压不变，必须同时调节发电机的励磁电流。必须同时调节发电机的励磁电流。当当：Nnn 常数U常数cos)(IfIf关系曲线称为同步发电机的调整特性。关系曲线称为同步发电机的调整特性。0fIINI1cos8 . 0cos滞后滞后8 . 0cos超前超前0fIINI1cos8 . 0cos滞后滞后8 . 0cos超前超前 而在容性负载而在容性负载下应供给较小的励下应供给较小的励磁电流，此时称发磁电流，此时称发电机在电机在欠励状态欠励状态下下运行。运行。 在感性负载下在感性负载下应供给较大的励磁应供给较大的励磁电流，此时称发电电流，此时称发电机在机在过励状态过励状态下运