CH16同步发电机的稳态运行特性及.ppt

2019/7/31,1,第十六章 同步发电机的稳态运行特性及参数的测定,2019/7/31,2,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,2019/7/31,3,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。 稳定运行时的主要变量：电压U、电枢电流I、励磁电流If和功率因数cos。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一种稳态运行情况。,2019/7/31,4,基本特性：稳态运行时，同步发电机的端电 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,2019/7/31,5,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 。,2019/7/31,6,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：,当空载时 时的If,2019/7/31,7,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 可通过计算或试验。 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来表示空载特性，约从1.3UN对应的励磁电流逐步减小而得到的下降曲线。,2019/7/31,8,If=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,2019/7/31,9,短路特性：同步发电机保持额定转速下，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,2019/7/31,10,同步发电机的短路特性,短路实验实验步骤： 电枢三相绕组出线端短路。 原动机拖动转子至同步速度，,调励磁电流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 。,同步发电机电枢直接短路，短路电流的大小如何？短路特性曲线是什么形状？,2019/7/31,11,短路实验接线图 短路特性,同步发电机的短路特性,2019/7/31,12,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,2019/7/31,13,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,2019/7/31,14,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：,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。,同步发电机的短路特性,2019/7/31,15,I,0,IN,IfK,If,短路特性曲线,短路特性曲线是一条直线。 原因：定子绕组短路时，端电压为零，限制短路电流的是发电机内部阻抗。由于定子绕组电阻远小于同步电抗，所以短路电流可认为是纯感性，即 。,电枢磁动势是起去磁作用的直轴磁动势，气隙合成磁动势很小，所产生的气隙磁通也很小，磁路处于不饱和状态，所以短路特性是一条直线。,同步发电机的短路特性,2019/7/31,16,由于此时气隙磁势不饱和，xd 为不饱和值:,短路的等效电路,xd不饱和值的求取,当发电机三相对称短路时，磁路处于不饱和状态，由短路电流引起的同步电抗压降恰和励磁电势相等：,2019/7/31,17,同步电抗简单测量方法： 原动机带动同步发电机在同步转速下运转，测其开路和短路特性。 在同一坐标纸上绘制成曲线，并作出气隙线。 选一固定的If，求对应 的短路电流Ik和对应于 气隙线上的电势E0，则 同步电抗可按下式求得： xd(不饱和)= E0/Ik,xd不饱和值的求取,2019/7/31,18,标么值,xd的不饱和值的求取,2019/7/31,19,空载电势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 。,IfN为短路特性Ik=IN时的励磁电流。,短路比的确定,2019/7/31,20,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,短路比的确定,2019/7/31,21,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。,2019/7/31,22,结论：短路比等于不饱和直轴同步电抗标么值的倒数乘上饱和系数，所以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，当负载变化时(I变化)，IXd阻抗压降变化大，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。,2019/7/31,23,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。,影响运行的静态稳定度，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0.5-0.7，凸极同步发电机短路比为1.0-1.4。,2019/7/31,24,水电站一般远离负荷中心，输电线路距离长，稳定问题较突出，所以水轮发电机具有较大短路比，一般在0.81.3之间。近年来。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。 发电机短路比的降低，反映单位功率所消耗材料下降。但xd增大，运行性能要差。采用自动励磁调节装置，大大提高了运行稳定性。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,2019/7/31,25,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系。,零功率因数负载特性：,2019/7/31,26,将同步发电机转子拖至同步转速，nN=n1 ，电枢绕组接一可变纯电感负载，使 。 调励磁电流If 及负载大小，使负载电流不变，I=IN。 保持I=IN，记录不同励磁下发电机端电压U。,由试验测零功率因数负载特性,2019/7/31,27,当电枢电流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,2019/7/31,28,零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,2019/7/31,29,由试验测零功率因数负载特性,负载为纯感性，忽略电枢绕组电阻， = 900，即 滞后 90，电枢反应性质为直轴去磁。 端电压U不为零，气隙电动势E = U+IN x，则端电压U大小不同，气隙电动势的大小不同，产生气隙电动势的磁动势大小不同，发电机处于不同程度的饱和状态。,2019/7/31,30,由试验测零功率因数负载特性,C点为UN，有：E0 = UN+IN x+ IN xad 零功率因数负载，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。磁动势矢量有：Ff1=Fa+F。 表示额定端电压， 表示If0。零功率因数负载时， 要保持端电压不变，IfN ( )必须大于If0（ ） 以克服漏抗压降和电枢反应 的去磁影响。,2019/7/31,31,直轴同步电抗xd饱和值的求取,通过空载、短路特性和零功率因数负载特性可求出直轴同步电抗xd的饱和值和定子漏抗x。 接纯电感负载，即=90，有:,U,If,If,Q,A,0,IN,UN,空载特性,零功率因数特性,2019/7/31,32,直轴同步电抗xd饱和值的求取,U,If,If,Q,A,0,IN,UN,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值,取U=UN时的Xd为Xd饱和值。,饱和时的Xd比不饱和的同步电抗Xd小得多。,2019/7/31,33,零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,2019/7/31,34,定子漏抗的求取,U=0时的励磁电流If= ，两部分：OB用来克服漏抗电动势E的励磁电流，AB为对应的漏抗压降，即 =xId，BC段平衡电枢电动势Ead的励磁电流，EadxadId，ABC的BC边代表纯去磁的电枢反应磁动势，AB边代表定子漏抗。 和 均和I成正比。所以I一定时，ABC固定，此三角形称为同步 电机的特性三角形。,2019/7/31,35,定子漏抗 电枢电流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。 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。,定子漏抗的求取,2019/7/31,36,得到特性三角形的方法： 在额定电压UN处作一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,2019/7/31,37,第三节 稳态参数的实验测定,对称稳态运行时主要参数：xd、xq、x等。前面已经介绍xd和x的一种测定方法。 用转差法可测凸极同步电机的纵轴同步电抗xd和横轴同步电抗xq值。,2019/7/31,38,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：,2019/7/31,39,转差法试验时转子开路电压及定子电压和电流波形,2019/7/31,40,转子与定子旋转磁场之间有相对运动，旋转磁场的轴线不断和转子d轴或q轴重合，定子电抗将随旋转磁场与转子主极相对位置的变化在最大值xd与最小值xq之间周期性变动。 旋转磁场轴线与转子d 轴一致时，磁阻最小，定子电抗达最大值xd，定子电流为最小值Imin，由于供电线路压降最小，故定子每相的端电压为最大值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：,2019/7/31,41,Xd,Xad,X,n,n1,当U最大，I最小时， 在d 轴上，此时电抗为直轴同步电抗：,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：,2019/7/31,42,Xq,Xaq,X,n,n1,当U最小，I最大时， 在q轴上，此时电抗为交轴同步电抗：,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：,2019/7/31,43,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，产生的磁势较小，磁路处于不饱和状态，测得的xd和xq为不饱和值。,2019/7/31,44,第四节 同步发电机的运行特性,同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。 从这些特性可确定发电机电压调整率、额定励磁电流和额定效率，这些都是标志同步发电机运行性能的基本数据。,2019/7/31,45,外特性定义:发电机保持额定转速不变，励磁电流和负载功率因数不变时，发电机端电压与负载电流的关系曲线。,外特性,2019/7/31,46,U,I,0,UN,cos=0.8(滞后),cos=0.8(超前),cos=1,IN,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。,外特性,2019/7/31,47,同步发电机的外特性,外特性,2019/7/31,48,保持励磁电流额定， 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),U,I,0,UN,IN,E0,由外特性求电压变化率,2019/7/31,49,u是发电机性能指标之一，按国家标准规定应不大于50% ，凸极同步发电机u通常在18%30%以内，隐极同步发电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,2019/7/31,50,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：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。,2019/7/31,51,If,I,0,U=UN,cos=0.8(滞后),cos=0.8(超前),cos=1,IN,IfN,cos=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,2019/7/31,52,调整特性,分析：不同负载功率因数，调整特性不同。,感性和阻性负载-为了补偿负载电流产生的电枢反应去磁作用和定子漏抗压降，保持发电机端电压不变，需随负载电流的增加相应增大励磁电流，调整特性上升。,容性负载-为了抵消电枢反应助磁作用，保持发电机端电压不变，需随负载电流增加减少励磁电流，调整特性是下降的。,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，励磁电流将超过额定值，转子绕组将过热。,2019/7/31,53,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损耗。 励磁损耗：包括励磁绕组基本铜耗