电机学 第14章 同步发电机的运行特性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 同步发电机的运行特性,14-1,同步发电机的空载特性、短路特性和同步电抗的测定,14-2,同步发电机零功率因数负载特性及普梯尔电抗的测定,14-3,同步发电机的外特性和调整特性,*,14-4,转差法和取出转子法求参数,小 结,第十四章 同步发电机的运行特性,基本要求：,1.,了解,同步发电机的空载特性、短路特性、零功率因数负载特性,的定义及各特性曲线的特点,2.,掌握利用,空载特性、短路特性,测量同步电抗的方法,3.,掌握利用,空载特性、零功率因数负载特性,测量定子漏电抗的方法,4.,了解,同步发电机的外特性和调整特性,5.,了解低转差法测量同步电抗的原理和方法,第十四章 同步发电机的运行特性,同步发电机稳态运行的主要变量：,定子端电压,U,、负载电流,I,、励磁电流,i,f,和功率因数,cos,。,同步发电机的运行特性：,在转速,n,保持同步速,n,1,不变、负载功率因数,cos,不变的条件下，端电压,U,、负载电流,I,、励磁电流,i,f,其中一个保持为常数，另外两个量之间的关系。,同步发电机的五种基本特性：,（,1,）空载特性：,当,I,=0,时，,E,0,=,f,(,i,f,),（,2,）短路特性：,当,U,=0,时，,I,k,=,f,(,i,f,),（,3,）负载特性：,当,I,=,常数且,cos,=,常数时，,U,=,f,(,i,f,),（,4,）外特性：,当,i,f,=,常数且,cos,=,常数时，,U,=,f,(,I,),（,5,）调整特性：,当,U,=,常数且,cos,=,常数时，,i,f,=,f,(,I,),1.,同步发电机空载特性曲线的测定,14,-1,同步发电机的空,载特性、短路特性和同步电抗的测定,空载特性：,当同步发电机的转速保持为同步转速（,n,=,n,1,）时，空载电动势,E,0,随励磁电流,i,f,变化的关系,E,0,=,f,(,i,f,),。,1,）空载特性曲线的测定,由于铁磁材料的磁滞现象，通过空载试验测得的,空载特性有上升和下降两条分支,。,空载特性曲线的校正：,I,f,=0,时有剩磁电动势，将下降曲线的直线部分延长与横轴交于,b,点，再将原实测曲线整体右移使,b,点与原点重合，得到工程中实用的校正曲线。,检查励磁系统的工作情况；,检查电枢绕组的联结是否正确；,了解电机磁路的饱和程度，判断电机设计是否合理。,1,）空载特性曲线的测定,校正曲线,2,）空载试验的重要作用,空载特性,磁路的饱和因数：,当,E,0,=,U,N,时，磁路饱和时的励磁电流,i,f,0,和磁路不饱和时的励磁电流,i,fs,之比，用,k,表示，即,气隙线,一般，,k,=1.11.25,。,同步发电机的标准空载特性,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,0.58,1.0,1.21,1.33,1.40,1.46,1.51,短路特性：,当同步发电机转速为同步速（,n,=,n,1,），,定子三相绕组稳态短路（,U,=0,）时，定子相电流,I,k,（即稳态短路电流）随励磁电流,i,f,变化的关系,关系,I,k,=,f,(,i,f,),。,2.,同步发电机的短路特性,短路特性,短路试验接线图,电枢,励磁,A,A,A,A,1,）短路特性曲线的测定,短路特性,短路特性是一条过原点的直线。,以,凸极同步发电机,为例来分析短路特性。,2,）短路特性分析,此时气隙合成磁动势,F,很小,，气隙磁通密度,B,也很小，,电机磁路处于不饱和状态,。,气隙电动势,E,和气隙合成磁动势,F,成正比。,忽略电枢电阻,R,，短路运行时，电枢反应为,直轴去磁电枢反应,。,即,短路特性曲线是一条过原点的直线,。,2,）短路特性分析,短路时电机磁路不饱和，,电枢磁动势正比于电枢电流，,气隙线,空载特性,短路特性,1,）,隐极同步发电机,同步发电机三相对称短路时，磁路不饱和，有,3.,同步发电机的同步电抗和短路比,同步电抗,利用空载特性,气隙线,和短路特性可以求出同步电抗的不饱和值。,对于凸极同步发电机，利用空载特性气隙线和短路特性求得的电抗是,直轴同步电抗,X,d,的不饱和值,。,直轴同步电抗,三相稳态短路时，忽略电枢电阻,R,，则,=90,，,即,2,）,凸极同步发电机,例,14-1,有一台三相水轮发电机，星形联结，,S,N,=7500kVA,，,U,N,=,10.5kV,，,cos,N,=0.8,(,滞后,),，空载、短路试验数据如下：,（,1,）空载特性（,E,0,为线电动势,）,i,f,/A,103,200,272,360,464,E,0,/ V,3460,6300,7250,7870,8370,（,2,）短路特性,i,f,/A,50,100,150,200,250,I,k,/A,180,360,540,720,900,试求,X,d,的不饱和值。,由短路特性可查得，当,i,f,=,250A,时，短路电流为,解：当励磁电流,i,f,=,250A,时，由气隙线可查得空载线电动势为,i,f,/A,103,200,272,360,464,E,0,/ V,3460,6300,7250,7870,8370,i,f,/A,50,100,150,200,250,I,k,/A,180,360,540,720,900,X,d,的不饱和值为,3,）,短路比,短路比：,当同步发电机空载电动势,E,0,等于额定电压,U,N,时的励磁电流为,i,f,0,，在励磁电流为,i,f,0,时的三相稳态短路电流为,I,kN,，,I,kN,与发电机额定电流,I,N,之比称为短路比,K,c,，即,气隙线,空载特性,短路特性,短路电流等于额定电流时的励磁电流,式中，,k,称为饱和因数。,短路比,K,c,对同步电机性能和造价的影响：,K,c,大，意味着,X,d,小，,短路电流大，但负载变化时发电机端电压变化小，并联运行时静态稳定性好。,气隙大，电机尺寸大，励磁磁动势也增大，转子用铜量增加，电机造价高,。,K,c,小，意味着,X,d,大，,短路电流小，但负载变化时发电机端电压变化大，并联运行时静态稳定性较差。,气隙小，电机造价低,。,短路比,K,c,的选择：,水电站通常远离负荷中心，输电线路较长，稳定性问题较突出，所以要求,水轮发电机有较大的短路比,，一般在,0.8 1.3,之间。,随着同步发电机容量的增大，冷却方式的先进，为了提高材料利用率，,随机组容量的增大短路比是逐步降低的,。有的大型汽轮发电机，短路比仅为,0.4,。,现代同步发电机采用快速自动励磁调节装置，,可以大大提高电力系统运行的稳定性，,短路比可以进一步降低，,以提高同步电机的经济指标。,1.,零功率因数负载特性,零功率因数负载特性：,当同步发电机转速为同步速，带纯电感负载且负载电流,I,为常数时，定子端电压,U,随励磁电流,i,f,变化的关系。,即,n,=,n,1,，,cos,=0,且,I,=,I,N,时，,U,=,f,(,i,f,),。,14-2,同步发电机,零功率因数负载特性及普梯尔电抗的测定,零功率因数负载试验接线图,纯感性负载,电枢,励磁,A,A,V,A,A,零功率因数负载特性曲线和空载特性曲线形状相似。,1.,零功率因数负载特性,空载特性,零功率因数,负载特性,忽略电枢绕组电阻，则电枢反应性质为直轴去磁。,1,）,电磁关系,空载特性,零功率因数,负载特性,：,克服电枢漏电抗压降作用所需增加的励磁磁动势。,：,抵消电枢反应去磁作用所需增加的励磁磁动势；,1,）,电磁关系,结论：,零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个直角三角形,kmn,，,其垂直边,km,代表定子漏电抗压降，其水平边,mn,代表与直轴去磁电枢反应磁动势等效的励磁磁动势,。,2,）,零功率因数负载特性与空载特性之间的关系,空载特性,零功率因数,负载特性,直角,三角形,k,mn,：,I,不变时，,kmn,不变,空载特性,零功率因数,负载特性,零功率因数负载时，当,U,不同时，,E,的大小也不同，发电机主磁路的饱和程度有所不同。,气隙线,2,）,零功率因数负载特性与空载特性之间的关系,I,一定时，,kmn,固定。,使,kmn,的底边保持水平，,将,kmn,的顶点,k,沿空载特性曲线移动，顶点,n,的轨迹即为零功率因数负载特性,。,在零功率因数特性曲线上向上平移,kmn,的顶点,n,到额定电压,U,N,时，将得到,k,m,n,，并且 ，,o,k,/,ok,。,空载特性,零功率因数,负载特性,2.,由空载特性和零功率因数负载特性测定定子漏电抗,作图法求定子漏电抗,X,s,:,过,o,作气隙线的平行线，交空载特性于,k,点；,连接,k,n,，过,k,点,作,o,n,的垂线，交,o,n,于,m,点，得特性三角形,k,m,n,；, 。,气隙线,在零功率因数负载特性上任取一点,n,（一般取额定电压点），过,n,点作平行于横坐标的水平线，并截取线段,；,空载特性,零功率因数,负载特性,气隙线,理论曲线,3.,普梯尔电抗,由零功率因数负载试验测得的,电抗称为,普梯尔电抗,X,p,。,原因：,零功率因数负载时，主极漏磁通较大，磁极饱和程度较空载时高，主磁路的磁阻变大，因此同样的气隙合成磁动势产生的气隙磁通和气隙电动势时较空载时略有减小。,试验曲线,14,-3,同步发电机的,外特性和调整特性,1.,同步发电机的外特性,1,）外,特性,外特性：,当,n,=,n,1,，,i,f,=,常数,且,cos,=,常数,时，,U,=,f,(,I,),。,cos,=0.8,cos,=1,cos,(,),=0.8,负载性质不同，外特性不同：,在感性负载或纯电阻性负载时，,外特性是一条向下倾斜的曲线；,在容性负载时，,外特性有可能是一条上翘的曲线。,影响电枢端电压的因素：,电枢反应；,定子的,漏阻抗压降。,I,i,f,不变,IZ,s,F,f,1,不变,F,a,，,电枢反应的去磁作用增强,F,E,U,cos,=0.8,在感性（,或纯电阻性）,负载,时,，,由于电枢反应的去磁作用，,及感性电流引起的漏阻抗压降，,随电枢电流,I,的增大，电枢端电压,U,是下降的。,当,n,=,n,1,，,i,f,=,常数,且,cos,=0.8(,滞后,),时，,在容性负载且,0,时,由于电枢反应的增磁作用，及容性电流引起的漏阻抗压降，,随电枢电流,I,的增大，电枢端电压,U,是上升的。,I,i,f,不变,IZ,s,F,f,1,不变,F,a,，,电枢反应的增磁作用增强,F,E,U,cos,(,)=0.8,当,n,=,n,1,，,i,f,=,常数,且,cos,=0.8(,超前,),时，,若,90,0,，,额定励磁电流,I,fN,：,U,=,U,N,、,cos,=,cos,N,、,I=I,N,时的励磁电流。,2,）电压调整率,i,f,=,i,fN,，,cos,=,cos,N,电压调整率,U,：,同步,发电机,保持额定转速,n,N,和额定励磁电流,i,fN,不变，,从额定负载过渡到空载时，,端电压升高的数值,与额定电压的比值,称为同步发电机的电压调整率,，即,凸极发电机：,U,=(1830),；,隐极发电机：,U,=(,3048),。,采用快速励磁调节装置，可在负载变化时自动改变励磁电流使发电机端电压保持不变。,2.,同步发电机的调整特性,n,=,n,1,，,U,=,常数且,cos,=,常数,时，,i,f,=,f,(,I,),。,调整特性：,当同步发电机转速为同步速不变，负载功率因数为常数时，为保持定子端电压,U,不变，励磁电流,i,f,随负载电流,I,变化的关系,i,f,=,f,(,I,),。,cos,=1,cos,(,),=0.8,cos,=0.8,感性负载、纯电阻性负载：,调整特性是上升的。,容性负载：,调整特性有可能是下降的。,*,14,-4,转差法和取出转子法求参数,1.,用转差法试验测同步电机的同步电抗,1,）,转差法试验,励磁绕组开路，由原动机将凸极同步电机的转子拖动至接近同步转速（,s,1,），在定子上外施额定频率的三相对称低电压（,0.02,0.15,U,N,),，,且使定子旋转磁动势的转向,与转子转向一致。,用示波器拍摄定子端电压和定子电流的波形,。,降,压,变,压,器,交流电源,A,V,电枢磁场轴线与转子直轴重合,此时同步电抗最大为,X,d,，有,2,）原理,R,0,直轴同步电抗,d,轴,d,轴,q,轴,转差试验时的电枢端电压和电枢电流波形,电枢磁场轴线与转子交轴重合,此时同步电抗最小为,X,q,，有,交轴同步电抗,注意：由于外加电压,U,很低，磁路不饱和，所以转差法测得的,X,d,、,X,q,均为不饱和值。,d,轴,d,轴,q,轴,转差试验时的电枢端电压和电枢电流波形,2.,取出转子法测漏电抗,1,）,方法,试验接线同转差法，取出同步电机的转子，定子绕组外施三相对称低电压（,U,=6%,15%,U,N,），控制电枢电流不超过额定值，测量电枢电压,U,、电枢电流,I,和输入功率,P,（均为一相数值）。,每相阻抗,每相电阻,每相电抗,特点：,实测值大于实际值,电抗中包含没有转子情况下的电枢反应电抗,X,t,。,可采用计算法或探测线圈法求出,X,t,，则,2,）原理,特点：,实测值大于实际值,电抗中包含没有转子情况下的电枢反应电抗,X,t,。,可采用计算法或探测线圈法求出,X,t,，则,2,）原理,小 结,1.,同步发电机的基本特性,（,1,）空载特性：,当,n,=,n,1,，,I,=0,时，,E,0,=,f,(,i,f,),。,（,2,） 短路特性：,当,n,=,n,1,，,U,=0,时，,I,k,=,f,(,i,f,),。,（,3,）零功率因数负载特性：,当,n,=,n,1,，,cos,=0,且,I,=,常数,时，,U,=,f,(,i,f,),。,2.,同步电抗的测定,利用同步发电机的空载特性和短路特性可以测量同步发电机的同步电抗（直轴同步电抗）的不饱和值。,3.,普梯尔电抗的测定,利用同步发电机的空载特性和零功率因数负载特性的试验曲线可以测量同步发电机的普梯尔电抗。,式中 ：普梯尔三角形,kmn,垂直边的长度。,4.,转差法求参数,利用转差法可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。,5.,同步发电机的外特性和调整特性,1,）外,特性：,当,n,=,n,1,，,i,f,=,常数,且,cos,=,常数,时，,U,=,f,(,I,),。,2,）,调整特性：,当,n,=,n,1,，,U,=,常数且,cos,=,常数,时，,i,f,=,f,(,I,),。,电压调整率,空载特性,零功率因数,负载特性,使特性三角形,kmn,的底边保持水平，将三角形的顶点,k,沿空载特性移动，顶点,n,的轨迹即为零功率因数负载特性。,零功率因数负载时，当,U,不同时，,E,的大小也不同，发电机主磁路的饱和程度有所不同。,气隙线,额定电压点（,I,=,I,N,U,=,U,N,）：调节发电机处于过励，电枢电流为额定值，输出有功功率为,0,（零功率因数），励磁电流和额定电压决定该点。,短路点（,I,=,I,N,U,=0,）：调节发电机励磁电流，使三相稳态短路电流为额定值，励磁电流决定该点。,2,）,零功率因数负载特性与空载特性之间的关系,