第七、八次课同步发电机的稳态运行特性及幻灯片.ppt

一上次课复习 主要内容 1 空载特性 短路特性 负载特性 曲线 2 测定同步电抗 计算短路比 测定漏抗3 外特性与调整特性4 电压变化率分析 二同步发电机的参数及测定 主要内容 1 同步电抗的测定 2 漏抗测定 3 短路比 4 转差法测定Xd和Xq 同步电机的特性分析基础 对称运行 指电机转速为额定值且保持恒定 并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式主要变量 电压U 电枢电流I 激磁电流If和功率因数cos 主要参数 同步电抗xs xd xq及漏抗x 一 同步电抗的测定 1类型 不饱和同步电抗饱和同步电抗2方法 不饱和同步电抗 利用空载特性和短路特性测定隐极电机测得Xs 凸极电机Xd饱和同步电抗 利用空载特性和零功率因数曲线 Xs Xd Xs Xd 的不饱和值的求取设励磁电流为If 每相空载电势为 如果把电枢端点短路 测得每相短路电流为 显然在略去电枢电阻时 同步电抗上的压降xdIk即为E0 由于此时气隙磁势不饱和 Xd为不饱和值 Ik f If 短路特性 Ik 空载及短路特性 空载特性当空载运行时 励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性 根据空载时的电磁过程 每相定子绕组的感应电势大小为 其中 0 磁极的基波每极磁通 N 每相定子绕组串联匝数 f 感应电势频率为 可见励磁电势的大小 有效值 与转子每极磁通成正比 而励磁电流的大小又和作用于同步电机磁路上的励磁磁势成正比例变化 所以空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 如图所示 由图14 1可见 当励磁电流较小时 由于磁通较小 电机磁路没有饱和 空载特性呈直线 将其延长后的直线称为气隙线 随着励磁电流的增大 磁路逐渐饱和 磁化曲线开始进入饱和段 铁磁饱和后 需磁势迅速增大 为了合理地利用材料 空载额定电压一般设计在空载特性的刚好弯曲处 如图中的c点 二 空载特性实验求取 空载特性可以通过计算或试验得到 调节励磁回路可变电阻 使激磁电流逐步上升 每次记下If和E0的读数 作同步电机的空载特性E0 f If 由于存在剩磁 规定用下降曲线来表示空载特性 从1 3UN对应的激磁逐步减小 同步电机的空载特性也常用标么值表示 空载电势以额定电压为基值 取U UN时的励磁电流 称为额定励磁电流 为励磁电流的基值 用标么值表示的空载特性具有典型性 不论电机容量的大小 电压的高低 其空载特性彼此非常接近 三 空载特性的工程应用 空载特性在同步发电机理论中有着重要作用 1 将设计好的电机的空载特性与标准空载曲线的数据相比较 如果两者接近 说明电机设计合理 反之 则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用 如太饱和 将使励磁绕组用铜过多 且电压调节困难 如饱和度太低 则负载变化时电压变化较大 且铁心利用率较低 铁心耗材较多 2 空载特性结合短路特性可以求取同步电机的参数 3 发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障 四 短路特性 发电机的转速n n1 端电压U 0 三相稳态短路 时 短路电流Ik与励磁电流If的关系 即Ik f If 称为短路特性 一 实验步骤 1 电枢端三相短路 短路实验接线图如图 2 原动机拖动转子至同步速度 n n1 3 调If 使I由零升至1 2IN左右 逐点记录电枢电流和励磁电流 4 画出U 0 Ik f If 短路特性 发电机的转速n n1 端电压U 0 三相稳态短路 时 短路电流Ik与励磁电流If的关系 即Ik f If 称为短路特性 一 实验步骤 1 电枢端三相短路 短路实验接线图如图14 2 2 原动机拖动转子至同步速度 n n1 3 调If 使I由零升至1 2IN左右 逐点记录电枢电流和励磁电流 4 画出U 0 Ik f If 图14 2短路图14 3短路的等效电路 图14 4短路特性和短路时的相矢图 a 短路时的相矢图 b 短路特性 二 短路特性短路实验的等效电路图如图14 3 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 图14 3短路的等效电路 短路特性曲线是一条直线 如图14 4 a 此时电枢磁势基本是一个纯去磁作用的直轴磁势 如图14 4 b 因此作用在直轴上的磁势有直流励磁磁势和电枢去磁磁势 合成磁势 其产生气隙感应电动势 磁路处于不饱和状态 又 气隙合成磁通小 所以短路特性为直线 三 Xs xd Xs xd的不饱和值的求取设励磁电流为If 每相空载电势为 如果把电枢端点短路 测得每相短路电流为 显然在略去电枢电阻时 同步电抗上的压降xdIk即为E0 由于此时气隙磁势不饱和 Xd为不饱和值 根据此关系可以得到测定同步电抗的简单方法 1 用原动机带动同步发电机在同步转速下运转 测取其开路和短路特性 2 将测取的数据在同一坐标纸上绘制成曲线 并作出气隙线 3 选取一固定的If 求得对应的短路电流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 标么值 Ik f If 短路特性 Ik 二漏电抗的求取 零功率负载特性 发电机的负载特性是指当负载电流I 常数 功率因数cos 常数的条件下 端电压U与励磁电流If的关系 其中当cos 0时一条负载特性称为零功率因数特性 一 零功率因数负载特性曲线实验测定方法测定同步电机零功率因数特性时 要得到一定容量的零功翠因数负载很不容易 实际上cos 0 2即可 实验的接线图如下图 实验时 将转子拖至nN n1 保持不变 电枢绕组接一可变纯电感负载 使 调If及U大小 使电枢电枢电流I IN 记录U If 改变If 记录U 保持I IN If 可得到零功率因数负载特性曲线 如图14 7 通过空载 短路试验和零功率因数负载试验可以求出直轴同步电抗xd的饱和值和定子漏抗x 14 7零功率因数负载特性曲线 cos 0的负载为纯电感负载 等效电路如图a 即 900 从相矢图b 可以看出 一 同步电抗饱和值的求取在时的零功率因数特性曲线上取出对应于时的励磁电流IfN 再在空载特性曲线上取出对应于IfN的空载电势E0N 可求得同步电抗的饱和值 即 参看图17 9 二 定子漏抗U 0时 对应于零功率因数特性上的励磁电流If OC 将该电流分为两部分 OB段用来产生电势漏抗电势 以平衡定子漏抗压降AB x Id BC段用来产生电枢电势以平衡电枢反应电抗压降xadId 可见 ABC的BC边代表纯去磁的电枢反应磁势 AB边代表定子漏抗 由于BC和AB均和电枢电流Id成正比 所以当Id一定时 ABC是固定的 此三角形称为同步电机的特性三角形 只要求得特性三角形 我们就可以很方便地求得定子漏抗 即 O B A C 空载 零功率曲线 Un U If A B C 在三相稳态短路时 U E0 Ix Ff KadFad KadFad Ff INx U 对于一定的电枢电流Id 由于 ABC是固定的 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 如果我们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 A B C 并且O C OC O A OA 由此可得到特性三角形的作法 1 在额定电压UN处作一水平线交零功率因数曲线于C 截取O C OC 2 过O 作OA的平行线交空载特性曲线于A 3 过A 作A B O C 于B 则 A B C 即为特性三角形 见图14 9 短路比 定义 两个励磁电流之比空载 空载电动势额定值 励磁电流短路 额定电流 励磁电流 短路比短路比是反映电机综合性能的一个指标 它既和电机的体积大小 耗用坷料以及造价等因素有关 又和电机的运行性能有关 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Ik 与额定电流IN之比叫短路比Kc如图 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Ifk的比值 短路比与不饱和电抗的关系短路比对电机的影响 短路比大 则同步电抗小 负载变化时发电机的电压变化就小 并联运行时发电机的稳定度较高 设计上 电机气隙较大 转子的额定激磁磁势和用铜量增大 短路比小 同步电抗大 负载变化时发电机的电压变化就大 电压调整率大 发电机的稳定度较差 由于水电站一般远离负荷中心 输电线路距离较长 稳定问题比较突出 所以水轮发电机应具有较大的短路比 一般选在0 8 1 3之间 近年来 随着发电机容量的增大 冷却方式的先进 为了提高材料利用率 随机组容量增大短路比降低 国外大型汽轮发电机 它们的短路比有的仅为0 4 发电机短路比的降低 反映了单位功率所消耗材下降 这无疑是一个优点 但是从另一个角度来看 由于xd值增大后 运行性能要差一些 由于采用自动励磁调节装置 大大提高了运行稳定性 降低短路比可以提高电机经济指标 四转差法测定凸极同步电机的xd和xq值 稳态参数的实验测定 同步电机在对称稳态运行时的主要参数有xd xs xq x 等 对于xd和x 的测定方法 前面已经作了说明 以下介绍用转差法测定凸极同步电机的xd和xq值 用转差法可以测出凸极同步电机的纵轴同步电抗xd和横轴同步电抗xq值 励磁绕组开路 或通过很大的阻值的短路 以防过电压 使If 0 用外力拖动转子转动 使n接近n1 对应的转差率s 1 定子绕组外加额定频率三相对称电压 低压0 02 0 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 定子电压电流波形如下图 在试验过程中 由于转子与定子旋转磁场之间有相对运动 因此旋转磁场的轴线将不断地依次和转子d轴或q轴重合 相应地定子的电抗将随着旋转磁场与转子主极相对位置的变化 而在最大值xd与最小值xq之间作周期性的变动 当旋转磁场的轴线与转子d轴一致时 磁阻最小 定子电抗达最大值xd 而定子电流为最小值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 同理 当旋转磁场的轴线与转子q轴一致时 磁阻最大 定子电抗达最小值xq 而定子电流为最小值Imax 由于供电线路压降最大 故定子每相的端电压为最大值Umin 忽略定子电阻 则 因为实验时加的低电压 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 作业 1 三种特性的应用2 同步电机的参数的参数及测定方法和意义 第四节同步发电机的外特性与调节特性 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 从这些特性中可以确定发电机的电压调整率 额定励磁电流和额定效率 这些都是标志同步发电机性能的基本数据 一 外特性外特性表示发电机的转速为同步转速 且励磁电流和负载功率因数不变时 发电机的端电压与电枢电流之间的关系 即n n1 If 常值 cos 常值时 U f I 图14 11表示带有不同功率因数的负载时 同步发电机的外特性 从图14 11可见 在感性负载和纯电阻负载时 外特性是下降的 这是由于电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降所引起 在容性负载且内功率因数角为超前时 由于电枢反应的增磁作用和容性电流的漏抗电压上升 外特性亦可能是上升的 图14 11同步发电机的外特性 从外特性可以求出发电机的电压调整率 调节发电机的励磁电流 使电枢电流为额定电流 功率因数为额定功率因数 端电压为额定电压 此励磁电流IfN称为发电机的额定励磁电流 然后保持励磁电流为IfN 转速为同步转速 卸去负载 I 0 此时端电压升高的百分值即为同步发电机的电压调整率 用 u表示 即 u是发电机的性能指标之一 按国家标准规定应不大于50 凸极同步发电机的 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30 48 这一范围内 通过采用快速励磁调节器 可以自动改变激磁电流使发电机端电压保持不变 二 调整特性调整特性表示发电机的转速为同步转速 端电压为额定电压 负载的功率因数不变时 励磁电流与电枢电流之间的关系 即n n1 U UN cos 常值时 If f I 图14 12表示带有不同功率因数的负载时 同步发电机的调整特性 由图可见 在感性负载和纯电阻负载时 为补偿电枢电流所产生的去磁性电枢反应和漏阻抗压降 随着电枢电流的增加 必须相应地增加励磁电流 此时调整特性是上升的 在容性负载时 调整特性亦可能是下降的 从调整特性可以确定额定励磁电流IfN 如图14 12 图14 12同步发电机的调整特性 三 效率特性效率特性是指转速为同步转速 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n n1 U UN cos cos N时 f P2 同步电机的基本损耗包括电枢的基本铁耗pFe 电枢基本铜耗pCu1 励磁损耗pCuf和机械损耗p