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1、第17章 同步发电机的运行特性,17-1 同步发电机的空载和短路特性 17-2 零功率因数负载特性 17-3 同步发电机的外特性和调节特性 17-4 滑差法和抽转子法测定同步电机参数,17-1 同步发电机的空载和短路特性,一、用空载特性和短路特性确定Xd,1. 空载试验,试验条件,电枢开路（空载） 用原动机把被试同步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U0（空载时U0=E0），直到U0=1.25UN左右，就可以得到空载特性曲线E0= f（If）。,试验目的,测得空载特性E0=f（If）,注意：在绘制空载特性曲线时，应注意把E0换算成相值。,图17-1 空载实验电路和空载
2、特性曲线,2. 短路试验,试验条件,电枢绕组短路 用原动机把被试同步电机拖动到同步转速,试验目的,测得短路特性：I=f(If),调节励磁电流使电枢电流 I 从零一直增加到1.2IN左右，便可以得到短路特性曲线。,短路特性曲线是一条直线，因为短路时,合成电动势较小，此路不饱和。,图17-2 短路实验电路和短路特性曲线,3. 同步电抗Xd非的计算,短路试验时磁路不饱和，空载电动势应在气隙线上查取。,所计算的电抗Xd非为不饱和电抗,图17-3 空载和短路特性曲线,二、短路比,短路比是同步发电机的一个重要数据，定义为,短路比大，电机的运行性能好，但造价较高。,图17-4 利用特性曲线求参数,例17-1
3、 有一台25000 kW，10.5kV，Y接，cos=0.85（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数：,空载试验数据,短路实验数据,试求电机的同步电抗和短路比。,解:,从空载特性上查得：线电压U0=10.5/ kV时，If0=155A。,额定电流为,连接空载特性的前两个点作为气隙线，由气隙线算得当 If=280A时,22.4kV，相电动势,由， 可求得短路比,所以同步电抗为,用标幺值计算时,常数， 时的,一. 零功率因数特性,，,17-2 零功率因数负载特性,图17-5 零功率因数负载实验电路,在零功率因数条件下,图17-6 零功率因数负载特性分析,表示空载时产生额定电压所需的励
4、磁磁动势，在零功率因数负载时，为保持端电压为额定值，所需励磁磁动势 应大于 。增加的励磁磁动势有两部分：其中一部分 用以克服电枢漏抗压降 的作用；另一部分 用以抵消电枢等效磁动势 的去磁作用。,由于电枢电流的大小和相位不变，三角形AEF也不变，称为特性三角形。,由空载特性和零功率因数特性可求得特性三角形，即可 得到电枢楼抗压降 和电枢反应等效磁动势 。,过 点作气隙线的平行线，与空载特性交于E点。从E点作铅垂线，并交 于A点，得特性三角形 。,在零功率因数特性上取 F点和K点。通过F点作平行于横坐标的水平线，并截取线段 。,2. 定子漏抗和电枢等效磁动势的确定,图17-7 用特性曲线求特性三角
5、形,由零功率因数特性所确定的漏抗称为波梯电抗，并用 表示,对于隐极电机,对于凸极电机,原因是零功率因数时，转子磁路的饱和程度高，导致特性三角形右移。,图17-8 零功率因数负载的漏磁情况,波梯电抗 尽管不是电枢漏抗 ，但在利用磁动势-电动势统一矢量图计算同步发电机的负载运行时，由于一般负载都是感性的居多，主磁极铁心都有额外的饱和现象发生，与零功率因数负载试验时类似，因此在这种情况下用波梯电抗 代替电枢漏抗 ，反而会得到更精确的结果。,17-3 同步电机的运行特性,一、运行特性,包括外特性、调整特性和效率特性。,1.外特性,n=ns，If=常值时，cos常值时,U=f(I),（1）在感性负载和纯
6、电阻负载时，外特性是下降的。,原因：电枢反应的 去磁作用和漏阻抗压降所引起。,（2）容性负载时，外特性有可能上升。,外特性上升条件：直轴电枢反应的助磁作用能够抵消电枢漏抗压降。,电压调整率定义：,E0为保持额定励磁电流和同步转速不变，卸去负载（即空载I=0）时，发电机的空载相电压。,对凸极同步发电机，u最好控制在1830%；,对隐极同步发电机，由于电枢反应较强， u最好控制在3048%。,电压调整率是同步发电机的性能指标之一。,2.调整特性,n=ns，U=UN，cos=常值时，,If=f(I),（1）在感性负载和纯电阻负载时，调整特性是上升的。,原因：随电枢电流的增大，电枢去磁和电枢漏抗压降增
7、大，为保证端电压保持为额定值不变，必须提高励磁电流。,（2）容性负载时，调节特性有可能下降。,外特性下降条件：内功率因数角超前较大，能够抵消电枢漏抗压降。,从调整特性可以确定同步发电机的额定励磁电流IfN。,n=ns，U=UN，cosc os N时,3. 效率特性,f(P2),同步电机的损耗 可以分为基本损耗和杂散损耗两部分。,基本损耗：,基本铁耗pFe,电枢基本铜耗pCu,机械损耗p,励磁损耗pCuf,杂散损耗：,电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过转子表面所引起的表面的损耗等。,现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率大致在9698.5这一范围内；,额定
8、效率亦是同步发电机的性能指标之一。,空冷汽轮发电机的额定效率大致在9497.8这一范围内；氢冷时，额定效率约可增高0.8。,图17-9 同步发电机的效率特性曲线,二、 电动势磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率,同步发电机的额定励磁电流和电压调整率既可以用直接负载法测定，亦可用考虑饱和时的电动势磁动势矢量图求出。,已知：,发电机的空载特性E0=f(If) 电枢电阻Ra 电枢漏抗（波梯电抗）Xp 额定电流时的电枢等效磁动势kaFa 电机的额定数据（每相值）,就可画出电动势磁动势矢量图，从而求出额定励磁电流和电压调整率。,1）先求出额定情况下发电机的气隙电动势E；,将电压U画在纵轴上,2）在空载曲
9、线上查取产生E所需的合成磁动势F；,E,图17-10 电动势向量图求气隙合成电动势,3）求出额定励磁磁动势,图17-11 磁势-电势向量图求满载励磁电流,5）求出励磁磁动势下的空载电动势E0,4）求额定励磁电流,额定励磁电流除以励磁绕组匝数得额定励磁电流。,图17-12 磁势-电势向量图求励磁电势,6）计算u,图17-13 磁势-电势向量图电压变化率,从理论上讲，这种用电动势-磁动势图的方法求额定励磁电流和电压调整率仅适应于隐极同步发电机。,对凸极同步发电机，若以kadFa代替kaFa，所得结果误差很小，因此工程上亦用此法确定凸极同步发电机的IfN和u。,这一电动势-磁动势通常亦称为波梯图,发
10、电机的短路特性为一直线，当短路电流等于额定电流时励磁电流Ifk178A。,空载特性数据为:,例 17-2 有一台水轮发电机SN=16667kVA，UN13.8kV（星形联结），cosN=0.8 (滞后），nN=100r/min，X*p=0.24，电枢电阻忽略不计。,试用波梯图法确定该发电机的额定励磁电流和电压调整率。,1） 先画出空载特性曲线,3）取,得 OT43A,2）OK=178A,4）kadFa,OK-OT=178A-43A =135A,5）作电动势-磁动势图得E=1.16时的合成磁动势F=267A,6）FfN=384A,7）E0=1.274,8）u=27.4,（3）再在定子绕组上施加约
11、为（25）UN的三相对称低电压，这一电压 满足两个条件：,（2）励磁绕组开路；,磁场旋转方向与转子转向一致,磁场不太强，该磁场不会将转子拉入到同步速,17-4 滑差法和抽转子法测定同步电机参数,（1）将被测同步电机用原动机驱动到接近同步转速;,一、 转差法测定Xd和Xq,图17-14滑差法求参数,因为没有励磁电流，E0=0,电枢磁场同转子转动速度不同,电枢磁动势交替与直、交轴重合,定子电流最小，I=Imin,电枢电抗最大，Xd，Iq=0,电枢磁场同转子直轴重合时,线路压降最小，端电压最大，U=Umax,图17-15 磁场通过d轴时的情况,定子电流最大，I=Imax,电枢电抗最小，Xq，Id=0
12、,电枢磁场同转子交轴重合时,线路压降最大，端电压最小，U=Umin,试验是在低电压下进行的，测出的 Xd和Xq均不是饱和值。,图17-16 磁场通过q轴时的情况,现代同步电机电抗参数的典型值,（不饱和值）,二、抽 转子法测定X,现场常利用电机大修抽出转子时，在定子绕组上外加三相对称电源。电源的频率应为额定值，电压应使流入定子电枢电流为额定值，通常为额定电压的1525%。若测出定子线电压U、线电流I和输入功率P，则,定子每相阻抗：,定子每相电阻：,定子每相电抗：,但测出的电抗xb比定子的实际漏电抗x大，原因是抽出转子后，定子电压产生的磁通有槽漏磁、端部漏磁、谐波漏磁和定子基波磁动势在定子内膛产生的磁通，前三项基本不变，而定子内膛磁通是定子漏磁中没有的，设内膛磁通所对应的等值电抗为，故实际漏电抗为 x=x-xb,
