同步电机的运行特性

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1、2012年 9月 6日 第 1页第三章 同步发电机对称运行时的特性 引言 3.1 同步发电机的空载、短路和负载特性 3.2 同步发电机的参数及测定 3.3 同步发电机的稳态运行特性 小结2012年 9月 6日 第 2页引言 同步发电机对称运行是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。 此时，同步发电机的运行性能可以通过它的基本特性，以及由这些特性所求得的一些主要参数来加以说明。2012年 9月 6日 第 3页 对称运行时，同步发电机的主要变量有端电压 U，电枢电流 I、励磁电流 If和功率因数cos 。说明上述变量之间关系的函数或曲线即为同步发电机的基本特性。 一

2、般用特性曲线只能表示两个变量之间的关系，由此，同步机有以下几个基本特性：2012年 9月 6日 第 4页 （ 1）空载特性： 当 时， 。 （ 2）短路特性： 当 时， 。 （ 3）负载特性： 当 及 时， 。 （ 4）外特性： 当 及 时， 。 （ 5）调整特性： 当 及 时， 。0 ()fE f I0I 0U ()kfI f I()fU f II constc o s const c o s const c o s const fI const()U f IU const()fI f I2012年 9月 6日 第 5页 表征同步电机特性的主要参数是同步电抗 Xs、 Xd、Xq及漏抗。 上述

3、变量和参数经常用标么值表示。和变压器类似，用额定相电压、相电流作为电压、电流的基值，它们的乘积再乘上相数取作容量、功率的基值，额定相电压和额定相电流的商取作阻抗的基值。 稳态运行时，转子电路是一个独立回路，故转子各量的基值可独立选取，与定子基值的选择无关。实用上，取空载电势大小为额定相电压时的励磁电流作为转子电流的基值。2012年 9月 6日 第 6页 3.1 同步发电机的空载、短路和负载特性 一、空载特性 二、短路特性 三、负载特性2012年 9月 6日 第 7页一、空载特性 同步发电机的转子绕组加上直流励磁，而电枢绕组开路，即为 同步发电机的空载运行 。此时，空气隙中只有一个由转子励磁的机

4、械旋转磁场。该磁场截切电枢绕组便将感应三相对称的空载电动势，由于电枢绕组开路，所以这时同步发电机的端电压即等于空载电动势。 空载运行特性就是讨论转子直流励磁电流和空载电动势的关系。实际运行时，发电机空载运行是很少遇到的，但空载特性却是同步电机的一个重要特性，体现着电机中磁与电的关系，并能由此求出同步电机的一些主要参数。2012年 9月 6日 第 8页 空载特性可通过电机的磁路计算或实验测得。图中 ，是由剩磁所感应的电动势，称为剩磁电动势。0rEb2012年 9月 6日 第 9页 校正空载特性曲线 对于已经励磁过的电机，由于存在剩磁，上述试验不能测得过原点的空载特性曲线 0a。为此，我们规定用下

5、降曲线来表示空载特性。2012年 9月 6日 第 10页 标幺值表示的空载特性，不论电机容量的大小、电压的高低，它们的空载特性彼此是非常相近的。通过实践和研究，找出了一条典型的空载特性，如表所示。可用这条典型的空载特性与设计好的或已制成的同步发电机的空载特性相比较，它们应该是很相近的，否则就是该电机的磁路过于饱和或材料没有充分利用。2012年 9月 6日 第 11页 空载特性开始是一条直线，因为这时很小，电机磁路中的铁磁部分未饱和，该部分所需的磁动势远小于空气隙磁动势，转子励磁磁动势主要消耗在空气隙中。 该直线部分延长而得的直线便可以表示气隙磁动势和每极磁通的关系，常称它为气隙线。 空载特性的

6、电压较高的部分开始向下弯曲，那是因为随着的增大，电机磁路的铁磁部分迅速饱和，它所需磁动势也就很快增大，空载特性便偏离气隙线开始向下弯曲。空载特性和气隙线间横向距离即为铁磁部分所需磁动势，如图 线段。 bc2012年 9月 6日 第 12页 我们称 为 l时的总磁动势和气隙磁动势之比为电机的饱和系数，用表示 。 为了合理利用有效材料，空载额定电动势常设计在空载特性的弯曲处，如图中 c点附近。一般 约为 1.2左右。0*Eackab 0NEk2012年 9月 6日 第 13页 除下文中将介绍利用空载特性可以求取同步电机的参数和特性外，在发电厂中经常测取空载特性，以检查三相电枢绕组的对称性，用它和历

7、年所测数据或该同步发电机的出厂数据相对比，如果所得曲线发现有下降，则说明该发电机转子绕组可能有些线匝发生了短路故障，须用其他方法进一步进行故障探测。2012年 9月 6日 第 14页二、短路特性 同步发电机的短路特性是指在进行发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流与励磁电流间的关系曲线。 它不仅可以用来说明同步发电机的性能，更主要的是可籍以测定同步电机的参数。2012年 9月 6日 第 15页 发电机短路后，端电压 U 0，电枢短路电流 。由于电枢电阻和同步电抗相比较时可以略去不计，即 ，因此短路电流可认为是纯感应性电流，内功率因数角接近 90 滞后。这时的电枢电流只有直轴分量，它所产生的电枢

8、反应为纯粹的去磁作用。 同步发电机在短路时的相量图如图所示，其空载电动势 E0和同步电抗电压降相等 。如是凸极机，则所用的同步电抗应为直轴同步电抗。0 /kaI E ZasZ jxksjI x2012年 9月 6日 第 16页 短路特性是一直线 测定短路特性时，应先将三相电枢绕组在出线端处短接，再起动原动机将发电机带到同步转速，通入不同数值的励磁电流 If，读取每次相应的短路电流 Ik，即得同步发电机的短路特性。1kf f a kF E II F F F I 2012年 9月 6日 第 17页三、负载特性 时的曲线称为零功率因数曲线，或称感应性负载特性曲线。 通过零功率因数曲线和空载特性曲线可

9、以求取饱和同步电抗及电枢漏抗。, 9 0 , c o s 0NII ()fU f I2012年 9月 6日 第 18页 当同步发电机带纯感应性负载时，电枢反应为纯粹去磁作用。 在已知电枢漏抗以及相当于电枢反应去磁作用的励磁电流后，就可直接由空载特性推导出零功率因数曲线。2012年 9月 6日 第 19页 由图可见，直角三角形 abc的高和底边均正比于电枢电流。当电枢电流保持不变时，该三角形的大小也是不变的，通常称此直角三角形为电抗三角形。 此三角形的顶点 a落在空载特性上， c点落在零功率因数曲线上，故将它在空载特性上平移， c点的轨迹即为零功率因数曲线。2012年 9月 6日 第 20页 零

10、功率因数曲线也可用实验方法测得。试验时，电枢接到一个可变得三相纯电感负载 (例如三相可变电抗器，或欠励状态下空载运行的同步电动机等 )，然后同时调节发电机的励磁电流和负载，使电枢电流保持为额定值，记录不同励磁下的发电机端电压，即得零功率因数曲线。2012年 9月 6日 第 21页 对于大容量的同步发电机，由于很难得到容量相当的纯电感负载，所以不能再用上述方法来求取整条零功率因数曲线。 但却能用简单的方法求得零功率因数曲线上两个关键的坐标点，即各种负载特性图中的曲线 2上的 e点和 c点。2012年 9月 6日 第 22页 3.2 同步发电机的参数及测定 一、同步电抗的测定 二、短路比 三、漏抗

11、的测定和保梯电抗 四、转差法测定 Xd和 Xq2012年 9月 6日 第 23页 为了计算同步电机的稳态性能，除了需要知道电机的工况（端电压、电枢电流和功率因数等）之外，还应给出同步电机的参数。 下面说明同步电抗、电枢漏抗和电枢反应等效磁动势的实验确定法。2012年 9月 6日 第 24页一、同步电抗的测定 1不饱和同步电抗的测定 2求饱和同步电抗2012年 9月 6日 第 25页1不饱和同步电抗的测定 根据以上关系，可以利用空载特性和短路特性来确定同步电抗或直轴同步电抗。将测得的空载特性和短路特性画在同一坐标上，如图所示。在某一固定的励磁电流时，每相空载电动势与每相短路电流之比，便为每相同步

12、电抗。00k s k dE j I x E j I x 或2012年 9月 6日 第 26页 在测定空载特性时，由于磁路存在饱和现象，当励磁电流增大时，空载特性将向下弯曲。在测定短路特性时，由于空气隙中的磁通密度甚低，磁路始终处于不饱和状态。 也就是说，图中曲线 1和曲线 2处于不同的饱和状态。图的电动势相量图是假设电机磁路不饱和，根据线性关系得来的。因此，求同步电抗时所用的空载电动势应从气隙线 3上来查取。同步电抗便为在某固定的励磁电流时，曲线 3的纵坐标与曲线 2的纵坐标之比，即0dskExxI2012年 9月 6日 第 27页2求饱和同步电抗 由纯感应性负载时的相量图可见，在发电机供给纯

13、感应性负载这一特定情况下，空载电动势、端电压和同步电抗电压降三者之间呈代数关系，即 。因此我们可以从空载特性和零功率因数曲线求取饱和同步电抗。0 sE U Ix2012年 9月 6日 第 28页 图中表示出空载特性和的零功率因数曲线。设在零功率因数曲线上取 a点，表示额定端电压 UN，则根据 可知， 应该代表相应的空载电动势 E0，表示同步电抗电压降 ，（或 ），所以饱和同步电抗的标幺值为 * s N ss N NNx I x caxU U abI NIIab0 sE U Ix cbcaNsIxNdIx2012年 9月 6日 第 29页 磁路的饱和状况决定于发电机气隙中合成磁场的数值，如不计漏

14、阻抗电压降的影响，它就直接决定了端电压的数值。当发电机有不同的端电压时， Xs也就有不同的数值。 由图可见，当磁路不饱和时，同步电抗电压降为 ，它比 大得多，即不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的数值大得多。ca ca2012年 9月 6日 第 30页二、短路比 短路比是同步电机设计中的一个重要数据，它是指在空载时使空载电动势有额定值时的励磁电流与在短路时使短路电流有额定值时的励磁电流之比称为短路比，在图中给出了同步发电机的空载特性和短路特性。 短路比的另一定义为：有额定励磁电流时的短路电流与额定电流之比。0 0f kkfk NI IkII2012年 9月 6日 第 31页 同步电抗的标幺值

15、为 由于电机磁路的饱和， C01。由上式可见，短路比要比不饱和同步电抗的倒数略大。* 000001NNdk N k kE I Ix C CI U I k 2012年 9月 6日 第 32页 由上面的分析，短路比大，同步电抗就小，则负载变化时发电机的电压变化也就较小，并联运行时发电机的稳定度亦较高；但此时电机的气隙较大，转子的额定励磁安匝和用铜量增多，电机的造价较高。反之，短路比小，则电压调整率较大，电机的稳定度较差，但电机的造价却较低。 所以正确地选择短路比是同步电机设计中的一个重要问题。我国制造的汽轮发电机的短路比一般在0.5 0.7之间。水轮机因转子散热条件较好，及水电站的输电距离较长，稳定性问题比较突出，故短路比取得稍高，一般在 1.0-1.4之间。2012年 9月 6日 第 33页三、漏抗的测定和保梯电抗 1漏抗的测定 2保梯电抗2012年 9月 6日 第 34页1漏抗的测定 当发电机供给纯粹的感应性电流时，漏抗电压降可从空载电动势直接减去，电枢反应磁动势也可自转子磁动势直接减去。 因此，如果知道电机的漏抗和相当