1、5.3 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1.空載特性、短路特性、負(fù)載特性（曲線）2.測(cè)定同步電抗、漏抗，計(jì)算短路比3.外特性與調(diào)整特性4.電壓變化率分析一、同步電機(jī)的特性分析基礎(chǔ) 對(duì)稱運(yùn)行：指電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值且保持恒定，并供給三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)的一種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式 主要變量變量：端電壓U、電樞電流I、激磁電流If和功率因數(shù)cos 特性： (1)空載特性： I=0 (2)短路特性： U0 (3)負(fù)載特性： Iconst、cos=const (4)外特性： Ifconst、cosconst (5)調(diào)整特性： Uconst、cos=const 主要參數(shù)參數(shù)：同步電抗xs、xd、xq及漏抗x

2、 fIfU 0 fkIfI fIfU IfU IfIf區(qū)別不同的條件、區(qū)別不同的條件、參數(shù)間關(guān)系參數(shù)間關(guān)系標(biāo)幺值計(jì)算時(shí)的基值 定子側(cè)電壓基值額定相電壓電流基值額定相電流容量功率基值電壓基值*電流基值阻抗基值電壓基值/電流基值 轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子電流基值空載電勢(shì)為額定相電壓時(shí)的激 磁電流1.同步發(fā)電機(jī)的空載特性 當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)（電樞繞組開路，I=0）,空載電動(dòng)勢(shì)E0隨轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流If變化的關(guān)系 。 空載特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律空載特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律 E00 If Ff 當(dāng)勵(lì)磁電流較小時(shí)，由于磁通較小，電機(jī)磁路沒有飽和，空載特性呈直線（將其延長(zhǎng)后的射線稱為（氣隙線）

3、隨著勵(lì)磁電流的增大，磁路逐漸飽和，磁化曲線開始進(jìn)入飽和段。（向下彎曲）鐵磁飽和后，需磁勢(shì)迅速增大，橫向距離為鐵磁部分的磁壓為了合理地利用材料，空載額定電壓一般設(shè)計(jì)在空載特性的彎曲處，如圖中的c點(diǎn) ba飽和系數(shù)：E0*=1時(shí)的總磁勢(shì)與氣隙磁勢(shì)之比，一般在1.1-1.25間意義：空載磁路飽和后，由勵(lì)磁磁勢(shì)所建立的磁通和感應(yīng)電勢(shì)都降低到未飽和時(shí)的1/k。aback 空載特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 調(diào)節(jié)可變電阻，使激磁電流逐步上升，每次記下If和E0的讀數(shù)。 作同步電機(jī)的空載特性 由于存在剩磁，規(guī)定規(guī)定用下降曲線來表示空用下降曲線來表示空載特性載特性。 從1.3UN對(duì)應(yīng)的激磁逐步減小剩磁電動(dòng)勢(shì)空載特性的工程應(yīng)用

4、將設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性與常規(guī)空載特性相比較，如果兩者接近，說明電機(jī)設(shè)計(jì)合理，反之，則說明該電機(jī)的磁路磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。如太飽和太飽和，將使勵(lì)磁繞組用銅過多，且電壓調(diào)節(jié)困難如飽和度太低飽和度太低，則負(fù)載變化時(shí)電壓變化較大，且鐵心利用率較低，鐵心耗材較多 結(jié)合短路特性可以求取同步電機(jī)的參數(shù)結(jié)合短路特性可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。 發(fā)電廠通過測(cè)取空載特性來判斷三相繞組的對(duì)稱性以及勵(lì)磁系統(tǒng)的故障。 必須掌握（*）2.同步發(fā)電機(jī)的短路特性 發(fā)電機(jī)三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)時(shí)，電樞短路電流Ik與激磁電流If間的關(guān)系曲線。忽略繞組電阻忽略繞組電阻ra(c) 短路運(yùn)行時(shí)，Ik 滯后于E0 90o電角度，

5、y =90o，交軸分量Ikq =0 ，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ偶內(nèi)ゴ抛饔谩?影響：電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)。短路特性曲線 去磁作用減少了電機(jī)中的磁通，磁路處于不飽和狀態(tài)磁路處于不飽和狀態(tài) 電樞磁勢(shì)Fa正比于電樞電流I=Ik 短路特性是一直線短路特性是一直線kIEFkaIF kaffIFFFI1IkIf0U=0穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，電機(jī)的磁通和感應(yīng)電勢(shì)較小，短路電流不大，三相穩(wěn)態(tài)短路穩(wěn)態(tài)短路運(yùn)行沒有危險(xiǎn)短路特性的測(cè)定短路試驗(yàn) 先將三相電樞繞組在出線端處短接，再起動(dòng)原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)帶到同步轉(zhuǎn)速，通入不同數(shù)值的激磁電流If，讀取每次相應(yīng)的短路電流Ik，即得同步發(fā)電機(jī)的短路特性。 同步發(fā)電機(jī)的特性三角

6、形 零功率因數(shù)特性（零功率因數(shù)特性（2） ：cos =0的負(fù)載特性純感性負(fù)載，純?nèi)ゴ抛饔玫碾姌蟹磻?yīng) Faq=0,Fad=Fa合成磁勢(shì)端電壓3.負(fù)載特性曲線端電壓與激磁電流間的曲線Uf(If)I=const，cos=constadadfFkFFIxEIxEUs0矢量（相量）關(guān)系變成了代數(shù)關(guān)系矢量（相量）關(guān)系變成了代數(shù)關(guān)系重點(diǎn)：空載特性與零功率因數(shù)曲線 mn對(duì)應(yīng)于去磁磁勢(shì)對(duì)應(yīng)于去磁磁勢(shì)kadFad的激磁電流的激磁電流on：合成磁勢(shì)om=mn+om：激磁磁勢(shì)Ffan：E合成電勢(shì)ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c點(diǎn)：對(duì)應(yīng)(U,If)為零功率因數(shù)特性曲線上一點(diǎn)電抗三角形abc如電樞電流保持不變，三

7、角形大小不變高ab= Ix，底邊bc=mn均正比于電樞電流c點(diǎn)軌跡即為零功率因數(shù)點(diǎn)軌跡即為零功率因數(shù)曲線曲線負(fù)載時(shí)實(shí)際激磁零功率因數(shù)曲線求取兩點(diǎn)試驗(yàn)兩點(diǎn)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法當(dāng)電機(jī)較大時(shí)，將電機(jī)并聯(lián)于電網(wǎng)，有功調(diào)節(jié)為零，調(diào)節(jié)勵(lì)磁使發(fā)出無功電流達(dá)到IN，即為e點(diǎn).短路點(diǎn)e點(diǎn)（I=IN,U=0）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，使三相穩(wěn)定短路電流為額定值額定電壓點(diǎn)c點(diǎn)（ I=IN,U=UN ）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)處于過激，電樞電流為額定值，輸出有功功率為0（零功率因數(shù)），激磁電流和額定電壓決定c點(diǎn)二、同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及測(cè)定 同步電抗：飽和與不飽和值 xd和xq的轉(zhuǎn)差法測(cè)定 短路比 漏抗和保梯電抗1.同步電抗的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 不飽和同

8、步電抗不飽和同步電抗 短路時(shí)不計(jì)飽和dkskxI jxI jE0*000*0kNkNNkNNdNdksdIEIIUEUIEIUxIxIExx凸極電機(jī)的交軸同步電抗可以利用經(jīng)驗(yàn)公式求得 dqxx65. 0飽和同步電抗 在純感性負(fù)載時(shí)sIxUE0abcaUxIIUxxNsNNNss磁路飽和決定于空氣隙中的合成磁場(chǎng)，忽略漏阻抗壓降，則決定于端電壓。不同的端電壓時(shí)，xs不同當(dāng)磁路不飽和時(shí)，同步電抗電壓為ca，比ca大。不飽和同不飽和同步電抗的數(shù)值步電抗的數(shù)值比飽和同步電抗的數(shù)值大大。2.轉(zhuǎn)差率試驗(yàn)，測(cè)定xd、xq 同步電機(jī)由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子激磁繞組開路（不加激磁），在定子端子上外施

9、對(duì)稱三相電壓。為了避免轉(zhuǎn)子被牽入同步，外施電壓約為額定電壓的外施電壓約為額定電壓的1/4左右左右，且使其相序能保證電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向致。 調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使約有1一2的轉(zhuǎn)差。此時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線交替地與轉(zhuǎn)子直軸和交軸重合。 當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子直軸重合時(shí)，定子的電抗為xd，此時(shí)電抗最大，定子電流最小，線路壓降最小，端電壓為最大。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子交軸重合時(shí)，定子的電抗為xq，此時(shí)電抗最小，定子電流最大，線路壓降最大，端電壓為最小。計(jì)算為不飽和值maxminminmaxIUxIUxqd應(yīng)用：正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)磁路飽和，d軸氣隙小而磁導(dǎo)大，磁路飽和而使xd減小，分析時(shí)應(yīng)用xd飽和值

10、；短路時(shí)，由于電樞反應(yīng)的去磁作用，使電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)，xd用不飽和值。q軸：磁路氣隙較長(zhǎng)，磁導(dǎo)小，磁路不飽和，xq取不飽和值。1 外施電壓低，定子電樞磁場(chǎng)較小外施電壓低，定子電樞磁場(chǎng)較小2 無激磁電流，沒有轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)無激磁電流，沒有轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)3.短路比kK 在空載時(shí)使空載電勢(shì)有額定值時(shí)的激磁電流If0與在短路時(shí)使短路電流有額定值時(shí)的激磁電流Ifk之比 NkfkfkIIIIk00kkNNNNkdkCIIUEUIIEx10000025. 11 . 100主磁路飽和系數(shù)NUECIN在激磁電流為在激磁電流為If0時(shí)的短路時(shí)的短路電流標(biāo)幺值電流標(biāo)幺值3.短路比kK分析：短路比略大于不飽和同步電

11、抗的倒數(shù)短路比大，則同步電抗小，負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)的電壓變化就小，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定度較高；設(shè)計(jì)上，電機(jī)氣隙較大，轉(zhuǎn)子的額定激磁磁勢(shì)和用銅量增大。短路比小，同步電抗大，負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)的電壓變化就大電壓調(diào)整率大電壓調(diào)整率大，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定度較差。工程上：隨著單機(jī)容量的增大，為了提高材料利用率，隨機(jī)組容量增大短路比降低。由于采用自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，大大提高了運(yùn)行穩(wěn)定性，降低短路比可以提高電機(jī)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)4.漏抗的測(cè)定 電抗三角形法NIabx bc等效于電樞反應(yīng)的勵(lì)磁電流抽出轉(zhuǎn)子法測(cè)漏抗 抽出電機(jī)轉(zhuǎn)子，定子繞組外施三相對(duì)稱電壓，使輸入電流達(dá)到額定值（U=15%UN） 電壓方程 忽略定子繞組電阻，則： 特

12、點(diǎn)：實(shí)測(cè)值大于實(shí)際值轉(zhuǎn)子空間也歸入了漏磁路，使總磁轉(zhuǎn)子空間也歸入了漏磁路，使總磁阻減小，表現(xiàn)漏抗增大阻減小，表現(xiàn)漏抗增大?？刹捎锰綔y(cè)線圈修正。00jxrIUEEEaaIUx 保梯電抗xp 在三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，縱邊為INx短路三角形 隨著電壓增加，三角形縱邊將增大，對(duì)應(yīng)于U=UN，邊長(zhǎng)為INxP保梯(potier)三角形 汽輪發(fā)電機(jī)，極間漏磁通較小，xp近似等于x 凸極發(fā)電機(jī)，xp=(1.1-1.3) x零功率因數(shù)試驗(yàn)時(shí)，磁極漏磁較大，磁極飽和程度較空載時(shí)高，為此必須加大激磁曲線2：由特征三角形及空載特性作出當(dāng)考慮轉(zhuǎn)子漏磁影響后，特當(dāng)考慮轉(zhuǎn)子漏磁影響后，特性三角形縱邊并非恒定不變性三角形縱邊并非恒

13、定不變。三、同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性 外特性 電壓變化率 調(diào)整特性 效率特性 磁勢(shì)法求電壓變化率和額定勵(lì)磁電流1. 發(fā)電機(jī)的外特性 n=n1, I f =const，cos=const，單機(jī)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)端電壓U隨負(fù)載電流 I的變化關(guān)系與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān) x I jr IUEEEEIxI jxI jr IEUaafqqdda000一定一定，則影響因數(shù)：1. 電樞反應(yīng)2. 漏抗壓降當(dāng)容性負(fù)載且內(nèi)功率因數(shù)超前時(shí)，電樞反映是助磁作用，特性可以呈上升形狀。在容性負(fù)載時(shí)，需適在容性負(fù)載時(shí)，需適當(dāng)降低勵(lì)磁，呈欠激當(dāng)降低勵(lì)磁，呈欠激運(yùn)行運(yùn)行在感性負(fù)載下需供給較大勵(lì)磁，稱為過激運(yùn)行過激運(yùn)行不同功率因數(shù)下，不同功率

14、因數(shù)下，I=IN時(shí)均有時(shí)均有U=UN2.發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性 n=n1, U =const，cos=const，作單機(jī)運(yùn)行，負(fù)載電流 I與勵(lì)磁電流If的關(guān)系 物理意義：維持端電壓不變，勵(lì)磁電流需隨負(fù)載電流維持端電壓不變，勵(lì)磁電流需隨負(fù)載電流的大小變化進(jìn)行調(diào)節(jié)的大小變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。在感性負(fù)載時(shí)，隨負(fù)載增大，需增加勵(lì)磁以抵消電增加勵(lì)磁以抵消電樞反應(yīng)的去磁作用樞反應(yīng)的去磁作用在容性負(fù)載時(shí)，隨負(fù)載增大，需減小勵(lì)磁以平衡電減小勵(lì)磁以平衡電樞反應(yīng)的助磁影響樞反應(yīng)的助磁影響3.效率特性n=nN，U=UN，cos= cosN，效率與輸出功率P2的關(guān)系測(cè)量方法測(cè)量方法：直接負(fù)載法，損耗分析法損耗分析損耗分析：基本損耗

15、：電樞鐵耗，電樞銅耗，勵(lì)磁損耗，機(jī)械損耗1. 雜散損耗：漏磁引起的渦流損耗，諧波引起的轉(zhuǎn)子表面損耗等額定效率范圍：1 水輪發(fā)電機(jī)（空氣冷卻）：96%-98.5%2 汽輪發(fā)電機(jī)（空氣冷卻）：94%-97.8%四、電壓變化率額定工作點(diǎn)額定工作點(diǎn)：額定電壓、額定負(fù)載（額定電流與功率因數(shù)）保持轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁不變，如負(fù)載減小，則電樞反應(yīng)的去磁作用也減小，端電壓將升高電壓變化電壓變化1. 電壓調(diào)整率 保持額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)速不變，發(fā)電機(jī)的額定運(yùn)行時(shí)的端電壓為UN，空載時(shí)端電壓為空載電勢(shì) E0 ，電壓調(diào)整率表示 %100%0NNUUEUU是發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)之一，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)不大于50% 通過采用快速勵(lì)

16、磁調(diào)節(jié)器，可以自動(dòng)改變激磁電流使發(fā)電機(jī)端電壓保持不變2. 電勢(shì)法求U% 從等效電路根據(jù)相量圖分析UIIrajIxsE0E0應(yīng)用同步電抗的飽和值3. 磁勢(shì)法求U% 考慮了磁路的飽和情況，直接反應(yīng)電樞磁勢(shì)Fa的作用 用保梯電抗xp代替漏抗，反映負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)子漏磁的變化pNNpNaNNxI jUxI jrI jUE已知額定負(fù)載時(shí)U=UN，I=IN，cos=conN 已知電機(jī)參數(shù)ra，xp，Kad，KaqU、IIf2 短路特性1 空載特性UNINN If0 aIf0Ifa Ifk-IfaIfNIfNE0UEE Ifa電樞反應(yīng)相當(dāng)?shù)募ご烹娏黝~定激磁電流額定激磁電流有效激磁電流0ffafNIII思考題1.為什么感性負(fù)載特性（零功率因數(shù)特性）和空載特性有相同的形狀？感性負(fù)載時(shí)，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，磁?shì)間的關(guān)系以及電勢(shì)間的關(guān)系為純代數(shù)關(guān)系，即：IxEIxEUFkFFsadadf0IxEIxEUFkFFsadadf0