1、1,第十七章 同步发电机对称运行时的特性 operating characteristic of synchronous generator,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,2,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,3,17-1 同步发电机的基本特性,2、短路特性：,4、外特性：,3、负载特性:,5、调整特性：,区别
2、不同的条件、参数间关系,1、空载特性：,4,标幺值计算时的基值,定子侧 电压基值额定相电压 电流基值额定相电流 容量功率基值电压基值*电流基值 阻抗基值电压基值/电流基值 转子侧 转子电流基值空载电势为额定相电压时的激 磁电流,5,17-2 对称负载时隐极同步发电机的方程式、相量图及等效电路图,假设条件：不考虑饱和,隐极发电机的电磁过程,6,1. 列定子回路电势方程式,o,O,7,2、相矢量图,假设已知U，I及 角，求,作 ，, ( 、 )均与 同向, 、 分别滞后 、,E0，I 之间的夹角为,8,(7)矢量部分：Ff 超前E0900，,9,Xs,Ra,Ra,Xs,j,10,隐极发电机的等效电
3、路：,只要去掉 Ra 即可得到简化等效电路,11,隐极发电机的相量图,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数Ra 、xs,当功率因数cos 滞后时的相量图,s,Ra,12,二、磁路不饱和,13,17-3 对称负载时凸极同步发电机的方程式及相量图,凸极发电机的电磁过程,14,一、不计饱和时相量图 1 电压方程,o,O,15,o,O,16,凸极发电机的电势方程式,其中：,17,d轴,2、相量图,但在实际应用中,E0，未知,无法分成,已知 、 如何确定 相位，即如何求出,1)、思路：由R点做 垂线，交于Q，则RQ与水平线间锐角为,R,Q,18,2)、方法：假设已知U，I及 角、Xd，Xq
4、求,（1）作 ，,q轴,3)、计算：,4)功角 ： 与 的夹角,所在的方向q轴，确定,19,凸极发电机的相量图,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数Ra 、xd、xq 。,1、已知内功率因数角,按照电势方程式的关系作出相量图,2、未知内功率因数角,1）利用方程式求出：,2）利用公式求出：,20,二. 考虑饱和,计及饱和后，叠加原理不能应用，气隙合成磁场由合成磁势来决定，即交、直轴各自的合成磁势及感应电势可分别根据实际饱和情况由空载特性求取。,21,17-4 同步发电机的短路特性，同步电抗和短路比的求取,一、短路特性,短路实验接线图,n = nN，U = 0(三相稳态短路)时, 短路电流
5、Ik与励磁电流If的关系 Ik= f (If),22,1、实验步骤：,电枢端三相短路； 原动机拖动转子至同步速度， 调If，使I由零升至1.2IN左右 画出,23,Xs,Ra,I,0,IN,IfK,If,短路特性曲线,隐极同步电机原理图,短路特性曲线为什么是一条直线？,24,相矢图,凸极同步电机,忽略绕组电阻ra,25,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且,综合(1)(2)所以 短路特性为直线,气隙电势很小，气隙磁势很小，整个电机得磁路处于不饱和状态，则有,26,忽略绕组电阻ra,短路运行时，Ik 滞后于E0 90o电角度， y =90o，交轴分量
6、Iq =0 ，电枢反应为纯去磁作用。,去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态电枢磁势Fa正比于电枢电流I=Ik，短路特性是一直线,27,Xd,二、Xd不饱和值的确定 三相对称短路时，由短路电流引起的同步电抗压降恰和励磁电势相等：,由于此时气隙磁势不饱和，Xd 为不饱和值:,28,3,1,2,U I,If,If0,Ifk,Ik,IN,UN,E0,0,在给定If下，由空载特性及短路特性即可求出,因为：此时不饱和，故而用气隙线3及短路特性2求取：,29,三、短路比及其确定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
7、电流IN之比叫短路比Kc：（如下图）,3,1,2,U I,If,If0,Ifk,Ik,IN,UN,E0,0,Ifk为短路特性Ik=IN时的励磁电流,30,3,1,2,U I,If,If0,Ifk,Ik,IN,UN,E0,0,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,31,Ks：空载电压为额定值时电机的饱和系数，若磁路不饱和，Ks=1,32,分析： 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
8、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。 工程上： 随着单机容量的增大，为了提高材料利用率，随机组容量增大短路比降低。 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,33,17-5 零功率因数负载特性,负载特性:,零功率因数负载特性：,34,一 由试验测零功率因数负载特性 1.实验过程：(1)如图接线图,A,B,C,V,35,(2). 将转子拖至nN=n1电枢绕组接一可变纯电感负载，使 (3). 调If 及U大小，使I=IN (4).改变If ,U(保持I=IN记录),U,If,If,A,0,IN,UN,36,2.相矢图,37
9、,U,If,If,Q,A,0,3、试验结果,由相矢图知：因为纯电感负载，与短路情况相同，电枢反应纯直轴去磁，,IN,UN,Fad=Fa 合成磁势端电压,38,即为空载特性,但短电压不为0，发电机处于不同程度的饱和状态,当,U,If,If,Q,A,0,UN,39,U,If,M,R,P,0,Ifa,If,OR=IfK PR=Ifa OP=If PM=IX,Ifk,40,二由空载特性及零功率因数负载特性求Xd饱和值,由相量图,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。,显然 ，饱和时的Xd比不饱和的同步电抗Xd小得多。,U,If,If,Q,A,0,IN
10、,UN,41,三漏抗的求取 1磁势的分析 以ON代表额定电压ON =UN,U,If,A,N,K,C,B,R,0,NA零功率因数负载时产生UN所需励磁磁电流NA =IfN,NK空载时产生UN所需励磁磁电流NK = IfN0,KA克服电枢反应去磁作用及漏抗压降所需励磁电流,CA克服直轴去磁电枢磁势Fa所需励磁电流， CA=Ifa,42,由空载特性上作NA的垂线BC，则,则 KC克服定子漏抗压降所需的励磁磁电流KC = If,U,If,A,N,K,C,B,R,0,可见，由于 为感性，为保持端电压为恒定UN 励磁电流比空载时大。,IfN=IfN0+ Ifa+ If,43,2特性三角形 零功率因数曲线和
11、空载曲线间相差一直角三角形ABC,此 称为同步电机的特性三角形或保梯三角形。,U,If,A,N,K,C,B,M,R,P,0,Ifa,If,所以 由空载特性曲线和特性三角形可以获得零功率因数曲线。即将此的B点放在空载特性上，使AC/橫轴，将ABC上下移动，,则A点的轨迹即为零功率因数曲线。当ABC 的CA也与橫轴重合时，即MRP。,ABC ,CA电枢反应磁势，正比于电枢电流I， 若I不变，此大小不变。,44,U,If,A,N,K,C,B,M,R,P,0,Ifa,If,则A点的轨迹即为零功率因数曲线。 当ABC 的CA也与橫轴重合时，即MRP,则R点端电压为0，此时，R点对应的励磁电流,PRIfa
12、克服电枢反应,OPIf平衡漏抗压降,Ifk,45,3求定子漏电抗 已知空载特性及零功率数特性曲线,U,If,A,N,C,B,R,0,D,(5) ABC为特性三角形，BC为漏抗压降 (比实际漏伉略大)又称保梯电抗,(1)作ON=UN作NA/横轴,(2)截取线段AD使AD=OR=Ifk,(3)由D点引一直线BD，BD/空载特性起始部分,(4)由B点作垂线交AD于C,46,17-6 同步发电机的运行特性,一、 外特性,V,负载,A,A,A,=,A,1、 实验：接线如上图，调负载大小，测U，I,47,U,I,0,UN,cos=0.8(滞后),cos=0.8(超前),cos=1,IN,2、 结果：,当
13、cos=0.8(滞后)，随I，U， If =const， Ff=const;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 =const； Ff=const，电枢反应增磁,48,3、 由外特性求电压变化率， (1) 调发电机的If ，使,此时的If为额定励磁电流IfN 。,(2)保持IfN ，卸去负载，使I=0(空载)，此时端电压变为E0。,(电压变化率),U,I,0,UN,IN,E0,49,电压变化率,保持额定运行时的励磁电流和转速不变，发电机的额定运行时的端电压为UN，空载时端电压为空载电势 E0 ，电压调整率表示,U是发电机的性能指
14、标之一，按国家标准规定应不大于50% 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,50,If,I,0,U=UN,cos=0.8(滞后),cos=0.8(超前),cos=1,IN,IfN,二、 调整特性,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,51,三.效率特性,:损耗 基本损耗 ：电枢基本铁耗PFe电枢基本铜耗Pcua励磁损耗Pcuf机械损耗Pm杂散损耗： 涡流损耗;表面省耗,52,17-7 同步电机电压变化率及额定励磁电流的求取,一、 直接
15、负载法求电压变化率,二、 用电势相量图求电压变化率,设同步电抗已知，电压变化率按相量图(下面两个图)求、电势法,三、 用磁势-电势图求电压变化率及额定励磁电流（略）,53,Ra,Xs,j,q轴,隐极式,凸极式,54,17-8 稳态参数的测定,测Xd、Xq的不饱和值方法-转差法,1、实验方法： 1)励磁绕组开路，使If=0 2)用外力拖动转子转动，使nn1，S1% 3)定子绕组外加三相对称电压(低压)0.020.15UN 4)测定子电压及对应电流,55,用示波器拍摄转子励磁绕组开路电压、定子电压电流波形,56,2、原理： 1)定子外加三相对称电压三相对称电流圆形旋转磁场Fa ，速度n1，转子此时
16、速度为n，故 Fa与转子间有相对运动。,n,n1,0,2)当Fa与转子d 轴一致时， Rm 小， 大, xd大，,I 小，定子绕组感应电势Ead 及E;,57,n,n1,3)当 Fa与转子q 轴一致时， Rm 大， 小, xq小，,0,I 大，定子绕组感应电势Eaq 及E;,58,Xd,Xad,X,Xq,Xaq,X,n,n1,n,n1,测U最大时，I最小时， Fa 在d轴上，,测U最小时，I最大时， Fa在q轴上，,当外加电压经变压器降压时,XT,F,59,思考题,1、为什么同步电机空气隙比容量相当的异步电机大？ 同步电机空气隙大，同步电抗小，短路比大，电机运行稳定性高。但电机尺寸大，成本高； 异步电机的励磁由电网供给，如采用较大的气隙，则激磁电流增大。,60,思考题,变压器： 异步电机： 同步电机： 同步电抗包括两个部分，（1）对应于定子绕组的漏磁通x ，（2）对应与定子电流产生的空气隙旋转磁场xa。非主气隙合成磁场的作用,对应于-E1，即主磁通,2.比较变压器、异步电机的激磁电抗与同步电机的同步电抗。,
