同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性及概要課件

1、第十六章 同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性及參數(shù)的測定 8/7/20221本章主要內容第一節(jié) 空載特性、短路特性、不飽和同步電抗和短路比的求取第二節(jié) 零功率因數(shù)負載特性及漏電抗的求取第三節(jié) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗測定第四節(jié) 同步發(fā)電機的運行特性第五節(jié) 同步發(fā)電機電壓調整率及額定勵磁電流的求取8/7/20222穩(wěn)態(tài)運行特性曲線是確定電機主要參數(shù)、評價電機性能的主要依據(jù)。主要變量：電壓U、電樞電流I、勵磁電流If和功率因數(shù)cos。運行特性：當其中兩個量保持常數(shù)，另外兩個量之間的關系稱為運行特性。 概 述穩(wěn)態(tài)運行：電機轉速保持額定（ ）供給三相對稱負載的運行情況。8/7/20223基本特性：穩(wěn)態(tài)運行時，同步發(fā)電機的

2、端電壓U，電樞電流I，勵磁電流If 及功率因數(shù)cos之間的函數(shù)關系。概 述8/7/20224同步發(fā)電機的五個基本特性空載特性短路特性負載特性外特性調整特性表征同步電機特性的主要參數(shù)有：同步電抗 漏抗 。8/7/20225 同步發(fā)電機的基本特性同步電機的基本特性常用標么值來表示。定子相電壓：額定相電壓。定子相電流：額定相電流。功 率 ：標么值表示時，基準值的選?。簞畲烹娏鳎嚎蛰d時 時的If8/7/20226第一節(jié) 空載特性、短路特性、不飽和電抗和短路比的求取 一.空載特性實驗測定通過計算或試驗得到。由于磁滯現(xiàn)象，上升和下降的磁化曲線不重合，一般規(guī)定采用下降曲線表示空載特性，約從1.3UN對應的勵

3、磁電流逐步減小。 8/7/20227If=0時有剩磁電動勢。將曲線延長與橫軸相交，取交點與原點的距離if0為校正值。將實測曲線整體右移得到工程中適用的校正曲線，即過原點的曲線為空載特性曲線?？蛰d特性曲線8/7/20228短路特性：額定轉速下，定子三相繞組的出線端持續(xù)穩(wěn)態(tài)短路時，定子相電流（即穩(wěn)態(tài)短路電流）與勵磁電流的關系。同步發(fā)電機的短路特性8/7/20229同步發(fā)電機的短路特性短路實驗步驟：電樞三相繞組出線端短路。原動機拖動轉子至同步速度，調If，使定子短路電流I由零升至1.2IN左右，記下對應的定子短路電流和勵磁電流。畫出曲線 。8/7/202210短路實驗接線圖 短路特性 同步發(fā)電機的短

4、路特性8/7/202211短路時，限制短路電流的只有發(fā)電機的同步阻抗，忽略電樞電阻只考慮同步電抗，短路電流可認為純感性。 短路時的等效電路 短路時的相矢圖 同步發(fā)電機的短路特性8/7/202212結論：短路時，定子回路阻抗由純電感組成，故短路電流Ik滯后 900，此時電樞反應純去磁。 實驗結果及分析 （以凸極機為例）同步發(fā)電機的短路特性8/7/202213短路特性曲線為直線。 氣隙磁勢很小氣隙電勢很小，整個電機的磁路處于不飽和狀態(tài)，則有：同步發(fā)電機的短路特性8/7/202214I0INIfKIf短路特性曲線 短路特性曲線是一條直線。原因：短路電流可認為是純感性，即 。 電樞磁動勢去磁，氣隙合成

5、磁動勢小，氣隙磁通也很小，磁路不飽和，所以短路特性是一條直線。同步發(fā)電機的短路特性8/7/202215此時xd 為不飽和值:短路的等效電路xd的不飽和值的求取 發(fā)電機三相對稱短路，磁路處于不飽和，則：8/7/202216同步電抗簡單測量方法：同步機在同步轉速下運轉，測開路和短路特性。在同一坐標紙上繪成曲線，并作出氣隙線。選一固定的If，求對應 的Ik和對應于氣隙線上 的E0，則同步電抗： xd(不飽和)= E0/Ik xd的不飽和值的求取0IfIf0空載特性氣隙線IfN短路特性8/7/202217標么值 xd的不飽和值的求取0IfIf0空載特性氣隙線IfN短路特性8/7/202218 空載電勢

6、等于額定電壓時的勵磁電流稱空載額定勵磁電流Ifo，在勵磁電流為If0時做三相穩(wěn)定短路試驗測得的短路電流為Ik，與額定電流IN之比叫短路比Kc 。312U IIfIf0IfnIkINUNE00 IfN為短路特性Ik=IN時的勵磁電流。短路比的確定8/7/202219利用發(fā)電機的空載特性與短路特性求xd的不飽和值和短路比 8/7/202220短路比又可定義成： 空載時使空載電壓為額定值的勵磁電流If0與短路時使短路電流為額定值的勵磁電流IfN的比值。短路比與不飽和電抗的關系短路比的確定 Ks：空載電壓為額定值時電機的飽和系數(shù)，若磁路不飽和，Ks=1。8/7/202221結論：短路比等于不飽和直軸同

7、步電抗標么值的倒數(shù)乘上飽和系數(shù)，所以短路比是一個計及飽和影響的參數(shù)。短路比的確定 磁路不飽和，Ks=1。 Kc小，Xd大，短路電流小，負載變化時(I變化)，IXd變化大，發(fā)電機電壓變化率大，穩(wěn)定性差，但氣隙小，造價低。 Kc大，Xd小，氣隙大，電機尺寸大，勵磁磁勢大，成本高，但電壓變化率小，穩(wěn)定性好。8/7/202222短路比的大小對同步電機的影響影響電機的尺寸，短路比大，即 小，氣隙就大，轉子勵磁安匝將增加，導致增加電機用銅量，尺寸和造價 。 短路比大，則 小，負載電流引起的端電壓波動幅值較小，但短路電流較大。影響運行靜態(tài)穩(wěn)定度，短路比越大，靜態(tài)穩(wěn)定極限越大。 通常隱極同步發(fā)電機短路比為0.

8、5-0.7，凸極同步發(fā)電機短路比為1.0-1.4。8/7/202223 水電站遠離負荷中心，輸電線路長，穩(wěn)定問題較突出，所以水輪機有較大短路比，一般在0.81.3之間。隨著發(fā)電機容量增大，冷卻方式的先進，為了提高材料利用率，隨機組容量增大短路比降低。國外大型汽輪發(fā)電機，短路比有的僅為0.4。 短路比降低，反映單位功率耗材下降。但xd增大后，運行性能差一些。采用自動勵磁調節(jié)裝置，提高運行穩(wěn)定性，降低短路比可提高電機經(jīng)濟指標。短路比的大小對同步電機的影響8/7/202224第二節(jié) 零功率因數(shù)負載特性及漏電抗的求取 負載特性:轉速為同步轉速，負載電流和功率因數(shù)為常數(shù)時，發(fā)電機端電壓與勵磁電流之間的關

9、系。零功率因數(shù)負載特性：8/7/202225發(fā)電機nN=n1 ，電樞繞組接可變純電感負載， 。調If 及負載，使I=IN。保持I=IN，記錄不同勵磁下U。由試驗測零功率因數(shù)負載特性8/7/202226當I=0、cos=0時的零功率因數(shù)負載曲線就是空載特性曲線，故兩曲線有相似的形狀。 由試驗測零功率因數(shù)負載特性8/7/202227零功率負載時的等效電路和相矢圖 由試驗測零功率因數(shù)負載特性8/7/202228由試驗測零功率因數(shù)負載特性忽略電樞繞組電阻， = 900，即 滯后 90，電樞反應為直軸去磁。U不為零，E = U+IN x，則U不同， E大小不同，產(chǎn)生E的F大小不同，發(fā)電機處于不同程度的飽

10、和狀態(tài)。 8/7/202229由試驗測零功率因數(shù)負載特性C點為額定電壓UN，有： E0 = UN+IN x+ IN xad勵磁電流：一部份產(chǎn)生額定端電壓，一部份克服漏抗壓降，另一部份抵銷電樞反應電抗壓降?？蛰d時只需產(chǎn)生 額定端電壓。有： Ff1=Fa+F。 8/7/202230由試驗測零功率因數(shù)負載特性 表示額定端電壓， 表示If0。零功率因數(shù)負載時，保持端電壓不變，IfN ( )必須大于If0（ ）以克服漏抗壓降和電樞反應的去磁影響。 8/7/202231直軸同步電抗xd飽和值的求取 通過空載、短路和零功率因數(shù)負載特性可求xd的飽和值和x。=90，有:UIfIfQA0INUN空載特性零功率因

11、數(shù)特性8/7/202232直軸同步電抗xd飽和值的求取 UIfIfQA0INUN空載特性零功率因數(shù)特性 QA的長度隨電機飽和程度而變，不同的If 有不同的Xd，取U=UN時的Xd為Xd飽和值。 飽和時的Xd比不飽和的Xd小得多。8/7/202233零功率因數(shù)特性曲線與空載特性曲線 直軸同步電抗xd飽和值的求取 8/7/202234定子漏抗的求取 U=0時，If= ，其中：OB為克服E的勵磁電流，AB為對應的漏抗壓降，即 =xId，BC為平衡Ead的勵磁電流，EadxadId，ABC的BC為純去磁的電樞反應磁動勢，AB為定子漏抗。 和 均和I成正比。I一定時，ABC固定，此三角形稱為同步電機的特

12、性三角形。8/7/202235在零功率因數(shù)特性曲線上向上平移ABC的頂點C到額定電壓UN時，將 得到ABC ，并且 ，OA/OA。I一定，ABC固定，所以在空載特性曲線上移動ABC的頂點A時，C的軌跡即為零功率因數(shù)特性。定子漏抗的求取 定子漏抗8/7/202236得到特性三角形的方法：在UN處作水平線交零功率因數(shù)曲線于C，截取 ；過O作OA的平行線交空載特性曲線于A；過A作 ABOC于B，則ABC即為特性三角形 。 定子漏抗的求取 8/7/202237第三節(jié) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗測定 主要參數(shù)：xd、xq、x等。前面已經(jīng)介紹xd和x的一種測定方法。用轉差法可測凸極機的xd和xq值。 8/7/2022

13、38勵磁繞組開路（或經(jīng)大電阻短路，以防過電壓），If=0；用外力拖動轉子轉動，使n接近n1，轉差率s 1%；定子繞組外加額定頻率三相對稱電壓(低壓0.020.15UN)，測量定子電壓及對應電流。用示波器拍攝轉子勵磁繞組開路電壓、定子電壓和電流波形。 第三節(jié) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗測定 轉差法測量同步電抗的實驗步驟：8/7/202239轉差法試驗時轉子開路電壓及定子電壓和電流波形 8/7/202240轉子與定子旋轉磁場有相對運動，旋轉磁場軸線不斷和轉子d軸或q軸重合，定子電抗隨旋轉磁場與轉子主極相對位置的變化，在xd最大值與xq最小值之間周期性變動。旋轉磁場軸線與d 軸一致時，磁阻最小，xd最大，定子電

14、流最小Imin，由于供電線路壓降最小，故定子每端電壓為最大Umax，忽略定子電阻，則第三節(jié) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗測定 轉差法測量同步電抗的實驗步驟：8/7/202241XdXadXnn1 U最大，I最小時， 在d 軸上，為直軸同步電抗：第三節(jié) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗測定 轉差法測量同步電抗的實驗步驟：8/7/202242XqXaqXnn1 U最小，I最大時， 在q軸上，為交軸同步電抗：第三節(jié) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗測定 轉差法測量同步電抗的實驗步驟：8/7/202243第三節(jié) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗測定 轉差法測量同步電抗的實驗步驟： 實驗時加的低電壓，電樞電流較小，磁勢較小，磁路不飽和，測得的xd和xq為不飽和值。 8/

15、7/202244第四節(jié) 同步發(fā)電機的運行特性 有：外特性、調整特性和效率特性?？纱_定發(fā)電機電壓調整率、額定勵磁電流和額定效率，都是標志同步發(fā)電機運行性能的基本數(shù)據(jù)。 8/7/202245定義:發(fā)電機保持額定轉速、勵磁電流和負載功率因數(shù)不變時，端電壓與負載電流的關系曲線。 外特性8/7/202246UI0UNcos=0.8(滯后)cos=0.8(超前)cos=1IN當 cos=0.8(滯后)，隨I，U，If 為常數(shù)，F(xiàn)f也為常數(shù)，電樞反應去磁和漏阻抗壓降。cos=1時，隨I，U，漏阻抗壓降。當cos=0.8(超前)，隨I，U，If 為常數(shù)，F(xiàn)f也為常數(shù)，電樞反應增磁。 功率因數(shù)不同，外特性不同。

16、 外特性8/7/202247同步發(fā)電機的外特性 外特性8/7/202248保持 卸去負載，使I=0(空 載)，此時端電壓變?yōu)镋0調發(fā)電機的If ，使 此時的If為額定勵磁電流IfN 。(電壓變化率)UI0UNINE0由外特性求電壓變化率8/7/202249u是發(fā)電機的性能指標之一，按國家標準規(guī)定應不大于50% ，凸極機的u通常在18%30%以內，隱極機由于電樞反應較強，u通常在3048范圍內。采用快速勵磁調節(jié)器，可自動改變激磁電流使發(fā)電機端電壓保持不變。由外特性求電壓變化率8/7/202250 調整特性 負載改變，發(fā)電機端電壓也改變，為了維持發(fā)電機端電壓不變，需調節(jié)發(fā)電機勵磁電流。調整特性定義

17、：當發(fā)電機保持額定轉速不變，端電壓和負載的功率因數(shù)恒定時，勵磁電流與負載電流的關系。8/7/202251 IfI0U=UNcos=0.8(滯后)cos=0.8(超前)cos=1INIfNcos=0.8(滯后) 和cos=1，當I，電樞反應去磁作用，要保持U=const應使If。cos=0.8(超前) 當I，電樞反應助磁作用，要保持U=const應使If。調整特性8/7/202252 IfI0U=UNcos=0.8(滯后)cos=0.8(超前)cos=1INIfN調整特性注意：發(fā)電機額定功率因數(shù)一般為0.8（滯后），廠家根據(jù)用戶要求的額定功率因數(shù)設計電機。電機在額定情況下，若功率因數(shù)低于額定值，

18、勵磁電流將超過額定值，轉子繞組將過熱。8/7/202253同步發(fā)電機的損耗定子銅耗：三相繞組的電阻損耗。定子鐵耗：主磁通在定子鐵心中引起的鐵耗。勵磁損耗：包括勵磁繞組基本銅耗在內的整個勵磁回路中的所有損耗，如果同軸有勵磁機，也包括勵磁機損耗。機械損耗：軸承和電刷的摩擦損耗以及通風損耗。附加損耗：定子端部漏磁在各金屬件內引起的渦流損耗及定轉子鐵心由齒槽引起的表面損耗，定子高次諧波磁場在轉子表面引起的損耗等。8/7/202254同步發(fā)電機的總損耗、輸入功率、輸出功率間的關系同步發(fā)電機的損耗8/7/202255效率特性 效率特性：轉速為同步速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，發(fā)電機的效率與輸出功率的關系；即nn1，U =UN，cos= cosN時，=f(P2)。8/7/202256同步發(fā)電機的效率同步發(fā)電機的效率特性 效率也是同步發(fā)電機運行性能的重要數(shù)據(jù)，大型空冷汽輪機效率一般為94%-97.8%，氫冷時，額定效率