同步发电机的运行特性

同步发电机在转速保持恒定、负载功率因数不变的条件下，有三个主要变量：定子端电压U、负载电流I、励磁电流if。三个量之中保持一个量为常数，求其它两个量之间的函数关系就是同步发电机的运行特性。6.3同步发电机的运行特性3、负载特性：当I=const,CosΦ=const时,U＝f(if)五种基本特性：1、空载特性：当I=0时，E0(U0)＝f(if)2、短路特性：当U=0时，Ik＝f(if)4、外特性：当if=const,CosΦ=const时，U＝f(I)5、调整特性：当U=const,CosΦ=const时,if＝f(I)6.3.1同步发电机的运行特性一、同步发电机空载特性曲线的测定同步发电机达到同步转速后，加入励磁电流，改变励磁电流，空载电势也随之改变。1、励磁电流由零升至最大值2、励磁电流由最大值降为零由于铁磁材料磁滞的原因,空载电势略有不同，一般取下降的空载特性曲线。IfU0=E0if0图6.28空载特性的实验测定及校正12图6.29三根空载特性曲线E0'=f(Ff)二、同步发电机的短路特性当U=0、保持n=nN时，Ik＝f(If)1、短路时（U=0）电动势方程隐极机：凸极机：即.=E0+Ead+Eaq=U+IRa....+jIX.E..E=E0+Ea=U+IKRa+jIKX......E=U+IRa+jIX..jIKX..2、短路特性曲线已知、当Ra=0时不饱和）(0ddaqqaddaXIjXIjXIjXIjRIUEtktkak0XIjXIjRIUE隐极机：凸极机：900,电枢磁势基本上为纯直轴去磁，Fa=Fad,Faq=0.0.UF’=Ff–Fad’（数值上）又因磁路不饱和，F’IKFad’IK故：有FfIK即IfIK短路特性为一条过原点的直线。..E=U+IRa+jIX..jIKX..稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。INIOfkIfI短路特性图6.30短路特性.E..=E0+Ead+Eaq=U+IRa....+jIkX.E.I.E0FfFad'.EadFad'F'图6.31稳态短路时-空矢量3、稳态短路时-空矢量图0.U三角形ABC为同步发电机的特性三角形。=Fad‘=INXFf（If）EOCAE0=f(If)BEF'Fad‘E图6.32特性三角形-AB-AC4、特性三角形（短路三角形）.E..=E0+Ead+Eaq=U+IRa....+jIkX数值小,对应的磁通也小,电机磁路不饱和思考：同步发电机定子绕组的出线端短路后，电枢电流I随励磁电流If变化，两者为什么成正比关系？①隐极机：短路时故Xt=E0'/IK短路时磁路不饱和，故在同一Ff(If)下，由空载特性中的气隙线E0'=f(Ff)求得E0'，由短路特性求得IK，由Xt=E0'/IK得不饱和同步电抗Xt。5、不饱和同步电抗的求取（利用图6.29短路特性、空载特性求取）tktkak0XIjXIjRIUE不饱和）(XIjXIjXIjXIjRIUEddaqqadda0②凸极机：短路时Xd不饱和=E0'/IKXd*不饱和=Xd不饱和/Zb=(E0'IN)/(IKUN)=E0'*/IK*在同一Ff(If)下，由空载特性中的气隙线E0'=f(Ff)求得E0’，由短路特性求得IK，由Xd不饱和=E0'/IK得不饱和同步电抗Xd。根据经验公式Xq0.65Xd可求Xq。★定义：当发电机空载运行时，空载电动势等于额定电压时，所加的励磁电流If0，保持此If0不变，在稳态短路时所对应的短路电流为IK0，IK0与发电机额定电流IN之比，称为短路比，用kc表示。★kc=IK0/IN=If0(U0=UN)/IfK(IK=IN)=(If0/If0')*(If0'/IfK)=kUN/E0'=k/Xd*不饱和6、短路比(图6.29中黑线所示）IfEE0EE0'气隙线IKUNIf0IK0INIfKIf0'图6.29由空载短路特性确定同步电抗和kcIf0---产生空载额定电压所需的励磁电流If0'---产生气隙线上空载额定电压所需的励磁电流IfK---产生额定短路电流所需的励磁电流k---电机主磁路的饱和系数★kc分析：kc小，负载变化时，发电机电压变化较大，并联运行时稳定性较差，但电机造价便宜。若：增大电机气隙,Xdkc此时，电机静态稳定性好，过载能力强，但要增大励磁磁动势，转子用铜量增大，造价高。汽轮发电机：kc=0.4~1水轮发电机：kc=0.8~1.81、定义发电机的负载特性是指当负载电流=常数，功率因数cos=常数的条件下，端电压U与励磁电流的关系。其中当cos=0时一条负载特性称为零功率因数特性。三、零功率因数特性2、相量图cos=0的负载为纯电感负载，Ra远小于回路电抗，故=900，零功率因数负载时的电枢磁动势也是纯去磁作用的直轴磁动势。.=U+IRa+jIX..E.=U+jIX....I滞后于U900.I.E0FfFad'Fad'F'.UjIX..EFad'=Fa'图6.31零功率因数负载时时-空矢量图画出相量图见图6.31可以看出，与U处于同一方位，其相量加减可简化为代数加减，即jIX..E=U+IXF'=Ff-Fa'3、零功率因数特性与空载特性之间存在一个特性三角形（见图6.31）图6.31零功率因数负载特性的分析三角形EAF也为同步发电机的特性三角形。=UN=IX=If0=If=Ifa:克服漏阻抗压降IX所需励磁电流-OB-EA-BC-BF-AF-ACFf(If)UABEEE0=f(If)OKCFUNIfa在测定零功率因数负载特性时，I保持不变，故特性三角形大小不变。若X已知，对应于一固定I的去磁作用的等效励磁磁动势力Ifa，该三角形唯一确定，将左上角顶点沿空载特性移动时，其右下角顶点的轨迹即为所求的零功率因数负载特性。若零功率因数负载特性是实测(设I=IN)的，如图6.35中虚线所示，此时特性三角形为A“B”C“，大于，计算的电抗将大于漏抗X，称为保梯电抗XP，XP=/IN实测零功率因数负载特性3与理想零功率因数负载特性2不同是由于转子漏磁影响。若测零功率因数负载特性时电压低，磁路不饱和，则仍为曲线2，此时作特性三角形可求X。4、保梯电抗-BCBC_BC_图6.35由空载和零功率因数特性求特性三角形Ff(If)UCE0=f(If)OAUNBO'B'A'C'BACO123IfaINXI=0I=IN三相稳定短路时，特性三角形纵边长为IX，横边长为Ifad=Ifa，称为短路三角形。随电压升高，纵边逐渐增长，横边逐渐变小，对应于U=UN时所得特性三角形纵边长为IXp，称保梯三角形。凸极机：Xp=(1.05~1.1)X隐极机：Xp=(1.1~1.3)X1、外特性n=nN,If=常数,cos=常数条件下，同步发电机单机运行时,端电压U随负载电流而变化的关系曲线U=f(I)。四、外特性和电压调整率感性负载及纯电阻负载：电枢反应去磁★感性负载(0,900，cos滞后)，励磁电流If不变时，随着电枢电流I的增大，有两个因素导致端电压下降：电枢反应的去磁EU；漏抗压降IRa的增大。故感性负载同步电机的外特性是下降的曲线。2、外特性曲线形状与负载的性质有关。★容性负载对于(j0,y90，cosj超前)，电枢反应为增磁作用，电枢电流I增大，端电压U反而增大。图6-32给出了各种情况下的外特性曲线。★纯电阻负载:电枢反应去磁,外特性是下降曲线.3、为使不同cos下，I=IN时均有U=UN，则感性负载下所需励磁电流If大----过励状态容性负载下所需励磁电流If小----欠励状态纯电阻负载cos1下所需励磁电流If----正常励磁状态。IUNIONU图6-32同步发电机的外特性例6-1一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗的标幺值为，，电枢电阻略去不计，试计算该机在额定电压、额定电流、(滞后)时激磁电动势的标幺值(不计饱和)解以端电压作为参考相量虚拟电动势为8.0cos*0E0.1*dX6.0*qX即δ角为19．44°，于是电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为例6.2有一台25000kW、10.5kV(星形联结)、(滞后)的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到下列数据，试求同步电抗。从空载特性上查得：相电压kV时，If0＝155A；从短路特性上查得：I＝IN＝1718A时，Ifk＝280A；从气隙线上得查得：If＝280A时，kV解从气隙线上查出，If＝280A时，激磁电动势；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流I＝1718A；所以同步电抗为3/5.10U3/4.22U129303/224000VE用标幺值计算时，，故从空载和短路特性可知，于是Xd(饱和)为*0'/'/IIIIINfkf