第14章 同步发电机的运行特性

第十四章同步发电机的运行特性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、短路特性和同步同步发电机的空载特性、短路特性和同步 电抗的测定电抗的测定 14-2 同步发电机零功率因数负载特性及普梯尔同步发电机零功率因数负载特性及普梯尔 电抗的测定电抗的测定 14-3 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 14-4 转差法和取出转子法求参数转差法和取出转子法求参数 小 结小 结 第十四章同步发电机的运行特性第十四章同步发电机的运行特性 ?主要内容：主要内容：主要内容：主要内容： 空载特性、短路特性和同步电抗的测定；零功率因数负载 特性和定子漏电抗的测定；外特性、电压调整率、调整特 性；转差法测 空载特性、短路特性和同步电抗的测定；零功率因数负载 特性和定子漏电抗的测定；外特性、电压调整率、调整特 性；转差法测Xd和和Xq。 ?基本要求：基本要求：基本要求：基本要求： 1.了解同步发电机各种运行特性的定义及各特性曲线的特点了解同步发电机各种运行特性的定义及各特性曲线的特点 2.掌握利用各运行特性测量有关参数的方法掌握利用各运行特性测量有关参数的方法 3.了解低转差法测量同步电抗的原理和方法了解低转差法测量同步电抗的原理和方法 同步发电机在转速同步发电机在转速n1保持恒定、负载功率因数保持恒定、负载功率因数cos 不变的条 件下，有三个主要变量：定子端电压 不变的条 件下，有三个主要变量：定子端电压U、负载电流、负载电流I、励磁电 流 、励磁电 流if 。保持其中一个不变，另外两个量之间的关系就表示同 步发电机的一种运行特性。 。保持其中一个不变，另外两个量之间的关系就表示同 步发电机的一种运行特性。 同步发电机的运行特性：同步发电机的运行特性： 1. 空载特性：当空载特性：当n=n1， ，I=0时， 时，E0=f(if) 2. 短路特性：当短路特性：当n=n1，U=0时，时，Ik=f(if) 3. 负载特性：当负载特性：当n=n1，I=常数且常数且cos =常数时，常数时，U=f(if) 4. 外特性：当外特性：当n=n1，if=常数且常数且cos =常数时，常数时，U=f(I) 5. 调整特性：当调整特性：当n=n1，U=常数且常数且cos =常数时，常数时，if =f(I) 0 E o f i 1.同步发电机空载特性曲线的测定同步发电机空载特性曲线的测定 ? ?空载特性：空载特性：在同步转速下， 空载电势 在同步转速下， 空载电势E0与励磁电流与励磁电流if之间 的关系，即 之间 的关系，即E0=f(if)。 ?空载特性的测定：?空载特性的测定：定子绕组 开路，用原动机把同步发电机 拖动到同步转速，改变励磁电 流 定子绕组 开路，用原动机把同步发电机 拖动到同步转速，改变励磁电 流if ，并记取相应的电枢端电 压 ，并记取相应的电枢端电 压E0，可得空载特性曲线。，可得空载特性曲线。 14-1 同步发电机的空载特性、短路 特性和同步电抗的测定 同步发电机的空载特性、短路 特性和同步电抗的测定 b 校正曲线校正曲线 ?磁路的饱和因数：?磁路的饱和因数：当当E0=UN时，磁路饱和时的励磁电流时，磁路饱和时的励磁电流if0 和磁路不饱和时的励磁电流和磁路不饱和时的励磁电流ifs之比，称为饱和因数，用之比，称为饱和因数，用k 表示，即表示，即 fs f i i k 0 = 25. 11 . 1= k一般，一般， 气隙线气隙线 fs i 0 E o f i 空载 特性 空载 特性 0f i N U ?短路特性的定义?短路特性的定义 短路特性是指在短路特性是指在n=n1，定子绕组三相短路时， 即，定子绕组三相短路时， 即U=0时，定 子短路电流 时，定 子短路电流Ik与励磁电流与励磁电流 if的关系的关系Ik=f(if)。 2.同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性 ?短路特性的测定?短路特性的测定短路试验短路试验 将同步电机三相电枢绕组在 出线端处短接，将发电机带 到同步转速，调节励磁电流 将同步电机三相电枢绕组在 出线端处短接，将发电机带 到同步转速，调节励磁电流if 使电枢电流使电枢电流I从零起一直增加 到 从零起一直增加 到1.2IN左右，读取每次相应 的短路电流 左右，读取每次相应 的短路电流Ik，便可得到同 步发电机的短路特性。 ，便可得到同 步发电机的短路特性。 + 电枢 励磁 电枢 励磁 A A A A a F & 短路特性曲线是一条过原点的 直线。 短路特性曲线是一条过原点的 直线。 0 E & Rc jX k I & 0 () kc EIRjX=+ & kc jI X & 0 E & 1f F & k I & kc jI X & 短路运行时，滞后于短路运行时，滞后于90电角度，电角度， =90，电枢反应 为直轴去磁电枢反应。 ，电枢反应 为直轴去磁电枢反应。 0 E & k I & k I o f i 短路 特性 短路 特性 ?短路特性分析?短路特性分析 ?短路特性分析?短路特性分析 () s EUI RjX =+ & () ks IRjX=+ & 较小较小EB较小，磁路不饱和较小，磁路不饱和 E & F & ks jI X & a F & ks jI X & FE k I ak FI 1fa FFF =+反相，与 1fa FF & 1fk FI 1ff Fi kf Ii 即短路特性曲线是一条过原点的直线。即短路特性曲线是一条过原点的直线。 a F & 1f F & k I & 1）隐极同步发电机）隐极同步发电机 同步发电机在三相短路时，磁 路是不饱和的，有 同步发电机在三相短路时，磁 路是不饱和的，有 3.同步发电机的同步电抗和短路比同步发电机的同步电抗和短路比 0 () kc EIRjX=+ & kc jI X & 所以所以 气隙线气隙线0 E o f i 空载 特性 空载 特性 短路 特性 短路 特性 f i 0 E k I kNk N I E II UE 00 = N cN c U XI X= )(不饱和值 N k N U I E I 0 = 0 ()c k E X I = 不饱和值 2）凸极同步发电机）凸极同步发电机 凸极同步发电机三相短路时，如 果忽略电枢电阻 凸极同步发电机三相短路时，如 果忽略电枢电阻R，则，则 =90，即，即 0ddqq EjI XjI X=+ & kd jI X= & 0 ()d k E X I = 不饱和值 ad F & 0 E & 1f F & k I & F & kd jI X & 0 q I = & k d I E X 0 ( = 不饱和值） , dk II= & 3）短路比）短路比 ? ?短路比是指同步发电机在空 载额定电压所对应的励磁电 流 短路比是指同步发电机在空 载额定电压所对应的励磁电 流if0励磁下，三相稳态短路 时的短路电流 励磁下，三相稳态短路 时的短路电流IkN与额定电流与额定电流 IN之比，用之比，用Kc表示表示,即即 N kN c I I K= N kN c I I K= fk f i i 0 = 气隙线气隙线 fs i 0 E o f i 空载 特性 空载 特性 0f i N U 短路特 性 短路特 性 N I kN I k E fk i fk fs fs f i i i i 0 = k N E U k = dN N XI U k = d X k 1 = ifk:产生额定短路 电流的励磁电流 产生额定短路 电流的励磁电流 ?短路比对电机性能和成本的影响：?短路比对电机性能和成本的影响： 短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化较 小，并联运行时发电机的稳定度较高；但电机气隙较大，励 磁磁势和转子用铜量增大，造价增高。 短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化较 小，并联运行时发电机的稳定度较高；但电机气隙较大，励 磁磁势和转子用铜量增大，造价增高。 短路比小，则同步电抗大，负载变化时发电机的电压变化较 大 短路比小，则同步电抗大，负载变化时发电机的电压变化较 大电压调整率大，并联运行时发电机的稳定度较差；但电 机造价较便宜。 电压调整率大，并联运行时发电机的稳定度较差；但电 机造价较便宜。 随着单机容量的增长，为了提高材料利用率，短路比的要求 值有所降低。对汽轮发电机， 随着单机容量的增长，为了提高材料利用率，短路比的要求 值有所降低。对汽轮发电机，Kc=0.41.0；对水轮发电机，；对水轮发电机， Kc=0.81.8。 dN kN c X k I I K 1 = ? ?负载特性：当负载特性：当n=n1，cos =常数且常数且I=常数时，常数时，U=f(if)。 1.零功率因数负载特性零功率因数负载特性 ?零功率因数负载特性：?零功率因数负载特性：当当n=n1，cos =0且且I=常数时，常数时，U=f(if)。 14-2 同步发电机零功率因数负载特性及定子 漏电抗的测定 同步发电机零功率因数负载特性及定子 漏电抗的测定 + A 电枢 励磁 电枢 励磁 V 纯感性负载纯感性负载 A A A ? ?零功率因数负载时的电枢反应为 直轴去磁电枢反应。 零功率因数负载时的电枢反应为 直轴去磁电枢反应。 0 E & 1f F & I & 0cos=90 F & U & s jIX & E & ad F & ad F & s XI jRIUE & += s XI jU & + s IXUE+ 1fad FFF =+ & 1fad FFF = E s IX k 0 E & 1f F &I & F & U & s jIX & E & ad F & ad F & :空载时产生额定电压需要的励磁磁动势；空载时产生额定电压需要的励磁磁动势；ql :补偿漏电抗压降作用所需增加的磁动势。补偿漏电抗压降作用所需增加的磁动势。lm :补偿电枢反应去磁磁动势所需增加的励磁磁动势；补偿电枢反应去磁磁动势所需增加的励磁磁动势；mn 0 E o , ff F i 空载特性空载特性 U 零功率 因数特性 零功率 因数特性U l q n f F m adad k FF 结论：结论：在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 在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kmn，其垂直边为定子漏电抗压降，其水平边为与 电枢反应等效的励磁磁动势。 ，其垂直边为定子漏电抗压降，其水平边为与 电枢反应等效的励磁磁动势。 adad Fkmn =I s kmIX= I I不变时，不变时，kmn 不变不变 ?特性三角形?特性三角形kmn E s IX k 0 E o , ff F i 空载特性空载特性 U 零功率 因数特性 零功率 因数特性U l q n f F m adad k FF m k n 3 l 2.定子漏电抗的测定定子漏电抗的测定 作图法求定子漏电抗作图法求定子漏电抗Xs: 1在零功率因数负载特性上 任取一点 1在零功率因数负载特性上 任取一点n（一般取额定电 压点），作； （一般取额定电 压点），作；onno= 3连接3连接k n ，过 ，过 k 点作点作o n 的垂线，交 的垂线，交o n于于m点，得 特性三角形 点，得 特性三角形 k m n ； 4 ； 4 2过2过o作气隙线的平行线， 交空载特性于 作气隙线的平行线， 交空载特性于k 点；点； s XImk = 0 E o , ff F i 空载特性空载特性 U 零功率 因数特性 零功率 因数特性 n 气隙线气隙线 k n o m 定子漏电抗定子漏电抗 I mk X s 代表的相电势 = m k 0 E o , ff F i 空载特性空载特性 U 零功率 因数特性 零功率 因数特性 n 气隙线气隙线 k n o m 理论曲线理论曲线 3.普梯尔电抗普梯尔电抗 ? ?由零功率因数负载试验求得 的定子漏电抗比 由零功率因数负载试验求得 的定子漏电抗比Xs的实际值 略大，称为 的实际值 略大，称为普梯尔电抗普梯尔电抗Xp。 sp XX ?原因：?原因：零功率因数负载时，为了补偿直轴去磁电枢磁动势， 主极磁动势比空载时大，磁极漏磁较大，磁极饱和程度较空 载时高，因此产生同样的气隙磁通和气隙电动势时需要的励 磁磁动势比空载时要大。 零功率因数负载时，为了补偿直轴去磁电枢磁动势， 主极磁动势比空载时大，磁极漏磁较大，磁极饱和程度较空 载时高，因此产生同样的气隙磁通和气隙电动势时需要的励 磁磁动势比空载时要大。 试验曲线试验曲线 I mk X p 代表的相电势 = k m n o 14-3 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 1.同步发电机的外特性同步发电机的外特性 1 1）外）外）外）外特性：特性：特性：特性：n=n1， if =常数且常数且cos =常数时，常数时，U=f(I)。 感性负载和纯电阻性负载 时，外特性是一条向下倾 斜的曲线； 感性负载和纯电阻性负载 时，外特性是一条向下倾 斜的曲线； 在容性负载且在容性负载且 0）：电枢反应起去磁作用。0）：电枢反应起去磁作用。 当当n=n1， if =常数且常数且cos =常数时，常数时， I ? if 不变不变 IZs? Ff 1不变不变 Fa?，电枢反应 的去磁作用增强 电枢反应 的去磁作用增强 F ?E ? U ? s XI jRIUE & += I & U & s XI j & a XI j & E & RI& 0 E & cos =0.8 af FFF & += 1 容性负载且容性负载且0时：电枢反应起助磁作用。0时：电枢反应起助磁作用。 当当n=n1， if =常数且常数且cos =常数时，常数时， if 不变不变 IZs? I ? Ff 1不变不变 Fa?，电枢反应 的助磁作用增强 电枢反应 的助磁作用增强 F ?E ? U ? I & U & s XI j & 0 E & a XI j & E & RI& cos(- )=0.8 s XI jRIUE & += af FFF & += 1 2）电压调整率）电压调整率 ?电压调整率：?电压调整率：保持额定运行时的励磁电流保持额定运行时的励磁电流ifN和转速和转速nN不变， 对应的发电机空载电动势 不变， 对应的发电机空载电动势E0和额定电压和额定电压UN之差与额定电压的比 值，即 之差与额定电压的比 值，即 %100 0 = N N U UE U I U N I O N U NfNf iicoscos,= U=UN， I=IN且且cos = cos N时的励磁电流时的励磁电流 2.同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性 ? 调整特性：? 调整特性：当当n=n1， U=常数且常数且cos =常数时，常数时，if =f(I)。 cos =1 cos( )=0.8 cos =0.8 I f i o 14-4 转差法和取出转子法求参数转差法和取出转子法求参数 1.用转差法测同步电机的同步电抗用转差法测同步电机的同步电抗 由原动机将凸极同步电机的转子拖动至转速接近于同步转 速，转子励磁绕组开路，在定子端子上外施对称三相低电 压（ 由原动机将凸极同步电机的转子拖动至转速接近于同步转 速，转子励磁绕组开路，在定子端子上外施对称三相低电 压（U=2%15%UN），且保证电枢旋转磁场的转向与转子 的转向一致。调节原动机转速，使转差率约为 ），且保证电枢旋转磁场的转向与转子 的转向一致。调节原动机转速，使转差率约为1。 降 压 变 压 器 降 压 变 压 器 交流电源交流电源 n 1 n A V n n1，定子旋转磁场的轴线交 替与转子的 ，定子旋转磁场的轴线交 替与转子的d轴和轴和q轴重合。轴重合。 0=+ qqdd XI jXI jRIU & 0= f i qqdd XI jXI jU & 0 0 =E 转子励磁绕组开路转子励磁绕组开路 0= f Fd 轴轴d 轴轴 q 轴轴 U I max 2U min 2I min 2U max 2I 转差试验时的电枢端 电压和电枢电流波形 转差试验时的电枢端 电压和电枢电流波形 1）定子旋转磁场轴线与转子）定子旋转磁场轴线与转子d 轴重合时轴重合时 d II & =0= q I & 此时同步电抗最大为此时同步电抗最大为Xd min III d = max UU = min max I U X d = 直轴同步电抗直轴同步电抗直轴同步电抗直轴同步电抗 qqdd XI jXI jU & d 轴轴d 轴轴 q 轴轴 U I max 2U min 2I min 2U max 2I 转差试验时的电枢端 电压和电枢电流波形 转差试验时的电枢端 电压和电枢电流波形 2）定子旋转磁场轴线与转子）定子旋转磁场轴线与转子q 轴重合时轴重合时 q II & =0= d I & 此时同步电抗最小为此时同步电抗最小为Xq max III q = min UU = max min I U X q = 交轴同步电抗交轴同步电抗交轴同步电抗交轴同步电抗 qqdd XI jXI jU & d 轴轴d 轴轴 q 轴轴 U I max 2U min 2I min 2U max 2I 转差试验时的电枢端 电压和电枢电流波形 转差试验时的电枢端 电压和电枢电流波形 2.取出转子法测漏电抗取出转子法测漏电抗 试验接线与转差法相同，取出同步电机的转子，定子绕组 外施三相对称低电压（ 试验接线与转差法相同，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 ），控制电枢电流 不超过额定值，测量电枢电压U、电枢电流、电枢电流I和输入功率和输入功率P( 均为一相数值均为一相数值)。 每相阻抗每相阻抗 I U Z = 每相电阻每相电阻 2 I P R = 每相电抗每相电抗 22 RZX= 特点：特点：实测值大于实际值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 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可采用计算法或探测线圈法求出Xt，则，则 a EEE & += 0 s U RjX I + ts XXX= ()0+ s jXRIU & 0 小结小结 1.同步发电机的运行特性是在原动机保持同步转速不变，发 电机单机运行的条件下，发电机外部的三个物理量（定子端 电压 同步发电机的运行特性是在原动机保持同步转速不变，发 电机单机运行的条件下，发电机外部的三个物理量（定子端 电压U、负载电流、负载电流I、 励磁电流、 励磁电流if）中的一个保持不变，另外 两个量之间的关系。运行特性一方面用来测量发电机的某些 参数，另一方面也表征了发电机的一些重要性能。 ）中的一个保持不变，另外 两个量之间的关系。运行特性一方面用来测量发电机的某些 参数，另一方面也表征了发电机的一些重要性能。 2.同步发电机的空载特性、短路特性和零功率因数负载特性 是同步发电机的基本特性。利用基本特性可以求取同步发电 机的参数。 同步发电机的空载特性、短路特性和零功率因数负载特性 是同步发电机的基本特性。利用基本特性可以求取同步发电 机的参数。 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 的同步电抗或直轴同步电抗。 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 的同步电抗或直轴同步电抗。 3.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。 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。 I km X p 代表的相电势 = km 式中：普梯尔三角形式中：普梯尔三角形kmn垂直边的长度垂直边的长度 4.利用低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。 利用低