cha14同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性及解讀課件

第十四章同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性及參數(shù)的測(cè)定主要內(nèi)容：1.空載特性、短路特性、負(fù)載特性（曲線）2.測(cè)定同步電抗、計(jì)算短路比、測(cè)定漏抗3. 外特性與調(diào)整特性4. 電壓變化率分析第十四章同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性及參數(shù)的測(cè)定主要內(nèi)容：1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)行方式主要變量：電壓U、電樞電流I、激磁電流If和功率因數(shù)cos主要參數(shù)：同步電抗xs、xd、xq及漏抗xσ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2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（—）空載特性當(dāng)空載運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電勢(shì)隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。根據(jù)空載時(shí)的電磁過程：每相定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)大小為：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3其中0——磁極的基波每極磁通。N——每相定子繞組串聯(lián)匝數(shù)。f——感應(yīng)電勢(shì)頻率為：可見勵(lì)磁電勢(shì)的大小(有效值)與轉(zhuǎn)子每極磁通成正比，而勵(lì)磁電流的大小又和作用于同步電機(jī)磁路上的勵(lì)磁磁勢(shì)成正比例變化，所以空載特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律，如圖所示。其中0——磁極的基波每極磁通。4由圖14-1可見，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)后的直線稱為氣隙線）。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。鐵磁飽和后，需磁勢(shì)迅速增大，為了合理地利用材料，空載額定電壓一般設(shè)計(jì)在空載特性的剛好彎曲處，如圖中的c點(diǎn)。由圖14-1可見，當(dāng)勵(lì)磁電流較小時(shí)，由于磁通較小，電機(jī)磁路沒5（二)空載特性實(shí)驗(yàn)求取空載特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路可變電阻，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E0=f(If)，由于存在剩磁，規(guī)定用下降曲線來表示空載特性，從1.3UN對(duì)應(yīng)的激磁逐步減小。同步電機(jī)的空載特性也常用標(biāo)么值表示，空載電勢(shì)以額定電壓為基值，取U=UN時(shí)的勵(lì)磁電流(稱為額定勵(lì)磁電流)為勵(lì)磁電流的基值。用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性，不論電機(jī)容量的大小、電壓的高低，其空載特性彼此非常接近。（二)空載特性實(shí)驗(yàn)求取空載特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。調(diào)6（三）空載特性的工程應(yīng)用空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用，（1）將設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性與標(biāo)準(zhǔn)空載曲線的數(shù)據(jù)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)的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。如太飽和，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，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。（2）空載特性結(jié)合短路特性可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。（3）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。（三）空載特性的工程應(yīng)用空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要7二、短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(三相穩(wěn)態(tài)短路)時(shí),短路電流Ik與勵(lì)磁電流If的關(guān)系，即Ik=f(If)稱為短路特性。（一）實(shí)驗(yàn)步驟：1.電樞端三相短路，短路實(shí)驗(yàn)接線圖如圖；2.原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子至同步速度，n=n1；3.調(diào)If，使I由零升至1.2IN左右，逐點(diǎn)記錄電樞電流和勵(lì)磁電流；4.畫出U＝0，Ik

=f(If)二、短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(三8（二）短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(三相穩(wěn)態(tài)短路)時(shí),短路電流Ik與勵(lì)磁電流If的關(guān)系，即Ik=f(If)稱為短路特性。（一）實(shí)驗(yàn)步驟：1.電樞端三相短路，短路實(shí)驗(yàn)接線圖如圖14-2；2.原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子至同步速度，n=n1；3.調(diào)If

，使I由零升至1.2IN左右，逐點(diǎn)記錄電樞電流和勵(lì)磁電流；4.畫出U＝0，Ik=f(If)（二）短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(9圖14-2短路圖14-3短路的等效電路圖14-4短路特性和短路時(shí)的相矢圖(a)短路時(shí)的相矢圖(b)短路特性圖14-2短路圖14-3短路的10（二）短路特性短路實(shí)驗(yàn)的等效電路圖如圖14-3，短路時(shí)，限制短路電流的只有發(fā)電機(jī)的同步阻抗，忽略電樞電阻只考慮同步電抗，短路電流可認(rèn)為純感性。圖14-3短路的等效電路（二）短路特性圖14-3短路的等效電路11短路特性曲線是一條直線，如圖14-4（a）。此時(shí)電樞磁勢(shì)基本是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁勢(shì)，如圖14-4（b）。因此作用在直軸上的磁勢(shì)有直流勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞去磁磁勢(shì)，合成磁勢(shì):其產(chǎn)生氣隙感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)磁路處于不飽和狀態(tài)。又氣隙合成磁通小，所以短路特性為直線短路特性曲線是一條直線，如圖14-4（a）。此時(shí)電樞磁12（三）xd的不飽和值的求取設(shè)勵(lì)磁電流為If，每相空載電勢(shì)為，如果把電樞端點(diǎn)短路，測(cè)得每相短路電流為，顯然在略去電樞電阻時(shí)，同步電抗上的壓降xdIk即為E0。由于此時(shí)氣隙磁勢(shì)不飽和，Xd

為不飽和值:（三）xd的不飽和值的求取由于此時(shí)氣隙磁勢(shì)不飽和，Xd為13根據(jù)此關(guān)系可以得到測(cè)定同步電抗的簡(jiǎn)單方法：（1）用原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)取其開路和短路特性。（2）將測(cè)取的數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)紙上繪制成曲線，并作出氣隙線。（3）選取一固定的If，求得對(duì)應(yīng)的短路電流Ik和對(duì)應(yīng)于氣隙線上的電勢(shì)E0，則同步電抗可按下式求得：xd(不飽和)=E0/Ik

標(biāo)么值根據(jù)此關(guān)系可以得到測(cè)定同步電抗的簡(jiǎn)單方法：標(biāo)么值14（四)短路比短路比是反映電機(jī)綜合性能的一個(gè)指標(biāo)，它既和電機(jī)的體積大小、耗用坷料以及造價(jià)等因素有關(guān)，又和電機(jī)的運(yùn)行性能有關(guān)?？蛰d電勢(shì)等于額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流稱空載額定勵(lì)磁電流Ifo，在勵(lì)磁電流為If0時(shí)做三相穩(wěn)定短路試驗(yàn)測(cè)得的短路電流Ik，與額定電流IN之比叫短路比Kc如圖短路比又可定義成：空載時(shí)使空載電壓為額定值的勵(lì)磁電流If0與短路時(shí)使短路電流為額定值的勵(lì)磁電流Ifk的比值。（四)短路比短路比又可定義成：15短路比與不飽和電抗的關(guān)系短路比對(duì)電機(jī)的影響：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，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定度較差。短路比與不飽和電抗的關(guān)系16由于水電站一般遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，輸電線路距離較長(zhǎng)，穩(wěn)定問題比較突出，所以水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)具有較大的短路比，一般選在0.8~1.3之間。近年來。隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，冷卻方式的先進(jìn)，為了提高材料利用率，隨機(jī)組容量增大短路比降低。國(guó)外大型汽輪發(fā)電機(jī)，它們的短路比有的僅為0.4。發(fā)電機(jī)短路比的降低．反映了單位功率所消耗材下降，這無疑是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但是從另一個(gè)角度來看，由于xd值增大后，運(yùn)行性能要差一些。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)。由于水電站一般遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，輸電線路距離較長(zhǎng)，穩(wěn)定問題比較突17第二節(jié)零功率負(fù)載特性及漏電抗的求取發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指當(dāng)負(fù)載電流I=常數(shù)，功率因數(shù)cos=常數(shù)的條件下，端電壓U與勵(lì)磁電流If的關(guān)系。其中當(dāng)cos

=0時(shí)一條負(fù)載特性稱為零功率因數(shù)特性。一、零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法測(cè)定同步電機(jī)零功率因數(shù)特性時(shí)，要得到一定容量的零功翠因數(shù)負(fù)載很不容易，實(shí)際上cos

0.2即可。實(shí)驗(yàn)的接線圖如下圖第二節(jié)零功率負(fù)載特性及漏電抗的求取發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指當(dāng)18實(shí)驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)子拖至nN=n1，保持不變，電樞繞組接一可變純電感負(fù)載，使；調(diào)If

及U大小，使電樞電樞電流I=IN，記錄U、If；改變If,，記錄U(保持I=IN)、If?？傻玫搅愎β室驍?shù)負(fù)載特性曲線，如圖14-7。通過空載、短路試驗(yàn)和零功率因數(shù)負(fù)載試驗(yàn)可以求出直軸同步電抗xd的飽和值和定子漏抗x。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)子拖至nN=n1，保持不變，電樞繞組接一可變純電1914-7零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線cos=0的負(fù)載為純電感負(fù)載，等效電路如圖a)，即=900，從相矢圖b)可以看出:14-7零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線cos=0的負(fù)載為純電感20（一）同步電抗在時(shí)的零功率因數(shù)特性曲線上取出對(duì)應(yīng)于時(shí)的勵(lì)磁電流IfN，再在空載特性曲線上取出對(duì)應(yīng)于IfN的空載電勢(shì)E0N，可求得同步電抗的飽和值，即(參看圖17-9)（一）同步電抗21（二）定子漏抗U=0時(shí)，對(duì)應(yīng)于零功率因數(shù)特性上的勵(lì)磁電流If=OC，將該電流分為兩部分:OB段用來產(chǎn)生電勢(shì)漏抗電勢(shì)，以平衡定子漏抗壓降A(chǔ)B=xId;BC段用來產(chǎn)生電樞電勢(shì)以平衡電樞反應(yīng)電抗壓降xadId，可見△ABC的BC邊代表純?nèi)ゴ诺碾姌蟹磻?yīng)磁勢(shì)，AB邊代表定子漏抗。由于BC和AB均和電樞電流Id成正比。所以當(dāng)Id一定時(shí)，△ABC是固定的，此三角形稱為同步電機(jī)的特性三角形。只要求得特性三角形，我們就可以很方便地求得定子漏抗，即（二）定子漏抗22對(duì)于一定的電樞電流Id，由于△ABC是固定的，所以在空載特性曲線上移動(dòng)△ABC的頂點(diǎn)A時(shí)，C的軌跡即為零功率因數(shù)特性。如果我們?cè)诹愎β室驍?shù)特性曲線上向上平移△ABC的頂點(diǎn)C到額定電壓UN時(shí)，將得到△A'B'C'，并且O'C'=OC，O'A'//OA，由此可得到特性三角形的作法：（1）在額定電壓UN處作一水平線交零功率因數(shù)曲線于C'，截取O'C'=OC；（2）過O'作OA的平行線交空載特性曲線于A'；（3）過A'作A'B'⊥O'C'于B'，則△A'B'C'即為特性三角形(見圖14-9)。對(duì)于一定的電樞電流Id，由于△ABC是固定的，所以在空載特23第三節(jié)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定同步電機(jī)在對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)有xd(xs)、xq、x等。對(duì)于xd和x的測(cè)定方法，前面已經(jīng)作了說明。以下介紹用轉(zhuǎn)差法測(cè)定凸極同步電機(jī)的xd和xq值。用轉(zhuǎn)差法可以測(cè)出凸極同步電機(jī)的縱軸同步電抗xd和橫軸同步電抗xq值。勵(lì)磁繞組開路（或通過很大的阻值的短路，以防過電壓），使If=0，用外力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使n接近n1，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率s<1%，定子繞組外加額定頻率三相對(duì)稱電壓(低壓0.02∽0.15UN)，測(cè)量定子電壓及對(duì)應(yīng)電流。用示波器拍攝轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組開路電壓、定子電壓電流波形如下圖。第三節(jié)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定同步電機(jī)在對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)24在試驗(yàn)過程中．由于轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線將不斷地依次和轉(zhuǎn)子d軸或q軸重合，相應(yīng)地定子的電抗將隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子主極相對(duì)位置的變化，而在最大值xd與最小值xq之間作周期性的變動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子d軸一致時(shí)，磁阻最小，定子電抗達(dá)最大值xd，而定子電流為最小值Imin，由于供電線路壓降最小，故定子每相的端電壓為最大值Umax，忽略定子電阻，則在試驗(yàn)過程中．由于轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此旋轉(zhuǎn)25同理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子q軸一致時(shí)，磁阻最大，定子電抗達(dá)最小值xq，而定子電流為最小值Imax，由于供電線路壓降最大，故定子每相的端電壓為最大值Umin，忽略定子電阻，則因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)加的低電壓，電樞電流較小，產(chǎn)生的磁勢(shì)較小，磁路處于不飽和狀態(tài)，測(cè)得的xd和xq為不飽和值。同理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子q軸一致時(shí)，磁阻最大，定子電抗26第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的外特性與調(diào)節(jié)特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。從這些特性中可以確定發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率、額定勵(lì)磁電流和額定效率，這些都是標(biāo)志同步發(fā)電機(jī)性能的基本數(shù)據(jù)。一、外特性外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即n＝n1，If=常值，cosφ=常值時(shí)，U=f(I)。第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的外特性與調(diào)節(jié)特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特27圖14-11表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特性。從圖14-11可見，在感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時(shí)，外特性是下降的，這是由于電樞反應(yīng)的去磁作用和漏阻抗壓降所引起。在容性負(fù)載且內(nèi)功率因數(shù)角為超前時(shí)，由于電樞反應(yīng)的增磁作用和容性電流的漏抗電壓上升，外特性亦可能是上升的。圖14-11同步發(fā)電機(jī)的外特性圖14-11表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特28從外特性可以求出發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使電樞電流為額定電流、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)、端電壓為額定電壓，此勵(lì)磁電流IfN稱為發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流。然后保持勵(lì)磁電流為IfN，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，卸去負(fù)載(I＝0)，此時(shí)端電壓升高的百分值即為同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率，用?u表示，即從外特性可以求出發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使29?u是發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)之一，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)不大于50%，凸極同步發(fā)電機(jī)的?u通常在18%30%以內(nèi)，隱極同步發(fā)電機(jī)由于電樞反應(yīng)較強(qiáng)，?u通常在30％48％這一范圍內(nèi)。通過采用快速勵(lì)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。二、調(diào)整特性調(diào)整特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；即n＝n1，U=UNΦ，cosφ=常值時(shí)，If=f(I)。?u是發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)之一，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)不大于50%，30圖14-12表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性。由圖可見，在感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時(shí)，為補(bǔ)償電樞電流所產(chǎn)生的去磁性電樞反應(yīng)和漏阻抗壓降，隨著電樞電流的增加，必須相應(yīng)地增加勵(lì)磁電流，此時(shí)調(diào)整特性是上升的。在容性負(fù)載時(shí)，調(diào)整特性亦可能是下降的。從調(diào)整特性可以確定額定勵(lì)磁電流IfN(如圖14-12)。圖14-12同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性圖14-12表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特31三、效率特性效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；即n＝n1，U=UNΦ，cosφ=cosφN時(shí)，η=f(P2)。同步電機(jī)的基本損耗包括電樞的基本鐵耗pFe、電樞基本銅耗pCu1、勵(lì)磁損耗pCuf和機(jī)械損耗pm。電樞基本鐵耗是指主磁通在電樞鐵心齒部和軛部中交變所引起的損耗。電樞基本銅耗是換算到基準(zhǔn)工作溫度時(shí)，電樞繞組的直流電阻損耗。勵(lì)磁損耗包括勵(lì)磁繞組的基本銅耗、變阻器內(nèi)的損耗、電刷的電損耗以及勵(lì)磁設(shè)備的全部損耗。機(jī)械損耗包括軸承、電刷的摩擦損耗和通風(fēng)損耗。雜散損耗包括電樞漏磁通在電樞繞組和其它金屬結(jié)構(gòu)部件中所引起的渦流損耗，高次諧波磁場(chǎng)掠過主極表面所引起的表面損耗等。三、效率特性32總損耗求出后，效率即可確定現(xiàn)代空氣冷卻的大型水輪發(fā)電機(jī)，額定效率大致在96%98.5%這一范圍內(nèi)；空冷汽輪發(fā)電機(jī)的額定效率大致在94％97.8％這一范圍內(nèi)；氫冷時(shí)，額定效率約可增高0.8％?？倱p耗求出后，效率即可確定33第十四章同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性及參數(shù)的測(cè)定主要內(nèi)容：1.空載特性、短路特性、負(fù)載特性（曲線）2.測(cè)定同步電抗、計(jì)算短路比、測(cè)定漏抗3. 外特性與調(diào)整特性4. 電壓變化率分析第十四章同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性及參數(shù)的測(cè)定主要內(nèi)容：34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)行方式主要變量：電壓U、電樞電流I、激磁電流If和功率因數(shù)cos主要參數(shù)：同步電抗xs、xd、xq及漏抗xσ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35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（—）空載特性當(dāng)空載運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電勢(shì)隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。根據(jù)空載時(shí)的電磁過程：每相定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)大小為：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36其中0——磁極的基波每極磁通。N——每相定子繞組串聯(lián)匝數(shù)。f——感應(yīng)電勢(shì)頻率為：可見勵(lì)磁電勢(shì)的大小(有效值)與轉(zhuǎn)子每極磁通成正比，而勵(lì)磁電流的大小又和作用于同步電機(jī)磁路上的勵(lì)磁磁勢(shì)成正比例變化，所以空載特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律，如圖所示。其中0——磁極的基波每極磁通。37由圖14-1可見，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)后的直線稱為氣隙線）。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。鐵磁飽和后，需磁勢(shì)迅速增大，為了合理地利用材料，空載額定電壓一般設(shè)計(jì)在空載特性的剛好彎曲處，如圖中的c點(diǎn)。由圖14-1可見，當(dāng)勵(lì)磁電流較小時(shí)，由于磁通較小，電機(jī)磁路沒38（二)空載特性實(shí)驗(yàn)求取空載特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路可變電阻，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E0=f(If)，由于存在剩磁，規(guī)定用下降曲線來表示空載特性，從1.3UN對(duì)應(yīng)的激磁逐步減小。同步電機(jī)的空載特性也常用標(biāo)么值表示，空載電勢(shì)以額定電壓為基值，取U=UN時(shí)的勵(lì)磁電流(稱為額定勵(lì)磁電流)為勵(lì)磁電流的基值。用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性，不論電機(jī)容量的大小、電壓的高低，其空載特性彼此非常接近。（二)空載特性實(shí)驗(yàn)求取空載特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。調(diào)39（三）空載特性的工程應(yīng)用空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用，（1）將設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性與標(biāo)準(zhǔn)空載曲線的數(shù)據(jù)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)的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。如太飽和，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，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。（2）空載特性結(jié)合短路特性可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。（3）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。（三）空載特性的工程應(yīng)用空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要40二、短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(三相穩(wěn)態(tài)短路)時(shí),短路電流Ik與勵(lì)磁電流If的關(guān)系，即Ik=f(If)稱為短路特性。（一）實(shí)驗(yàn)步驟：1.電樞端三相短路，短路實(shí)驗(yàn)接線圖如圖；2.原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子至同步速度，n=n1；3.調(diào)If，使I由零升至1.2IN左右，逐點(diǎn)記錄電樞電流和勵(lì)磁電流；4.畫出U＝0，Ik

=f(If)二、短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(三41（二）短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(三相穩(wěn)態(tài)短路)時(shí),短路電流Ik與勵(lì)磁電流If的關(guān)系，即Ik=f(If)稱為短路特性。（一）實(shí)驗(yàn)步驟：1.電樞端三相短路，短路實(shí)驗(yàn)接線圖如圖14-2；2.原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子至同步速度，n=n1；3.調(diào)If

，使I由零升至1.2IN左右，逐點(diǎn)記錄電樞電流和勵(lì)磁電流；4.畫出U＝0，Ik=f(If)（二）短路特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n1，端電壓U=0(42圖14-2短路圖14-3短路的等效電路圖14-4短路特性和短路時(shí)的相矢圖(a)短路時(shí)的相矢圖(b)短路特性圖14-2短路圖14-3短路的43（二）短路特性短路實(shí)驗(yàn)的等效電路圖如圖14-3，短路時(shí)，限制短路電流的只有發(fā)電機(jī)的同步阻抗，忽略電樞電阻只考慮同步電抗，短路電流可認(rèn)為純感性。圖14-3短路的等效電路（二）短路特性圖14-3短路的等效電路44短路特性曲線是一條直線，如圖14-4（a）。此時(shí)電樞磁勢(shì)基本是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁勢(shì)，如圖14-4（b）。因此作用在直軸上的磁勢(shì)有直流勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞去磁磁勢(shì)，合成磁勢(shì):其產(chǎn)生氣隙感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)磁路處于不飽和狀態(tài)。又氣隙合成磁通小，所以短路特性為直線短路特性曲線是一條直線，如圖14-4（a）。此時(shí)電樞磁45（三）xd的不飽和值的求取設(shè)勵(lì)磁電流為If，每相空載電勢(shì)為，如果把電樞端點(diǎn)短路，測(cè)得每相短路電流為，顯然在略去電樞電阻時(shí)，同步電抗上的壓降xdIk即為E0。由于此時(shí)氣隙磁勢(shì)不飽和，Xd

為不飽和值:（三）xd的不飽和值的求取由于此時(shí)氣隙磁勢(shì)不飽和，Xd為46根據(jù)此關(guān)系可以得到測(cè)定同步電抗的簡(jiǎn)單方法：（1）用原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)取其開路和短路特性。（2）將測(cè)取的數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)紙上繪制成曲線，并作出氣隙線。（3）選取一固定的If，求得對(duì)應(yīng)的短路電流Ik和對(duì)應(yīng)于氣隙線上的電勢(shì)E0，則同步電抗可按下式求得：xd(不飽和)=E0/Ik

標(biāo)么值根據(jù)此關(guān)系可以得到測(cè)定同步電抗的簡(jiǎn)單方法：標(biāo)么值47（四)短路比短路比是反映電機(jī)綜合性能的一個(gè)指標(biāo)，它既和電機(jī)的體積大小、耗用坷料以及造價(jià)等因素有關(guān)，又和電機(jī)的運(yùn)行性能有關(guān)。空載電勢(shì)等于額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流稱空載額定勵(lì)磁電流Ifo，在勵(lì)磁電流為If0時(shí)做三相穩(wěn)定短路試驗(yàn)測(cè)得的短路電流Ik，與額定電流IN之比叫短路比Kc如圖短路比又可定義成：空載時(shí)使空載電壓為額定值的勵(lì)磁電流If0與短路時(shí)使短路電流為額定值的勵(lì)磁電流Ifk的比值。（四)短路比短路比又可定義成：48短路比與不飽和電抗的關(guān)系短路比對(duì)電機(jī)的影響：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，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定度較差。短路比與不飽和電抗的關(guān)系49由于水電站一般遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，輸電線路距離較長(zhǎng)，穩(wěn)定問題比較突出，所以水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)具有較大的短路比，一般選在0.8~1.3之間。近年來。隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，冷卻方式的先進(jìn)，為了提高材料利用率，隨機(jī)組容量增大短路比降低。國(guó)外大型汽輪發(fā)電機(jī)，它們的短路比有的僅為0.4。發(fā)電機(jī)短路比的降低．反映了單位功率所消耗材下降，這無疑是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但是從另一個(gè)角度來看，由于xd值增大后，運(yùn)行性能要差一些。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)。由于水電站一般遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，輸電線路距離較長(zhǎng)，穩(wěn)定問題比較突50第二節(jié)零功率負(fù)載特性及漏電抗的求取發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指當(dāng)負(fù)載電流I=常數(shù)，功率因數(shù)cos=常數(shù)的條件下，端電壓U與勵(lì)磁電流If的關(guān)系。其中當(dāng)cos

=0時(shí)一條負(fù)載特性稱為零功率因數(shù)特性。一、零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法測(cè)定同步電機(jī)零功率因數(shù)特性時(shí)，要得到一定容量的零功翠因數(shù)負(fù)載很不容易，實(shí)際上cos

0.2即可。實(shí)驗(yàn)的接線圖如下圖第二節(jié)零功率負(fù)載特性及漏電抗的求取發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指當(dāng)51實(shí)驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)子拖至nN=n1，保持不變，電樞繞組接一可變純電感負(fù)載，使；調(diào)If

及U大小，使電樞電樞電流I=IN，記錄U、If；改變If,，記錄U(保持I=IN)、If?？傻玫搅愎β室驍?shù)負(fù)載特性曲線，如圖14-7。通過空載、短路試驗(yàn)和零功率因數(shù)負(fù)載試驗(yàn)可以求出直軸同步電抗xd的飽和值和定子漏抗x。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)子拖至nN=n1，保持不變，電樞繞組接一可變純電5214-7零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線cos=0的負(fù)載為純電感負(fù)載，等效電路如圖a)，即=900，從相矢圖b)可以看出:14-7零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線cos=0的負(fù)載為純電感53（一）同步電抗在時(shí)的零功率因數(shù)特性曲線上取出對(duì)應(yīng)于時(shí)的勵(lì)磁電流IfN，再在空載特性曲線上取出對(duì)應(yīng)于IfN的空載電勢(shì)E0N，可求得同步電抗的飽和值，即(參看圖17-9)（一）同步電抗54（二）定子漏抗U=0時(shí)，對(duì)應(yīng)于零功率因數(shù)特性上的勵(lì)磁電流If=OC，將該電流分為兩部分:OB段用來產(chǎn)生電勢(shì)漏抗電勢(shì)，以平衡定子漏抗壓降A(chǔ)B=xId;BC段用來產(chǎn)生電樞電勢(shì)以平衡電樞反應(yīng)電抗壓降xadId，可見△ABC的BC邊代表純?nèi)ゴ诺碾姌蟹磻?yīng)磁勢(shì)，AB邊代表定子漏抗。由于BC和AB均和電樞電流Id成正比。所以當(dāng)Id一定時(shí)，△ABC是固定的，此三角形稱為同步電機(jī)的特性三角形。只要求得特性三角形，我們就可以很方便地求得定子漏抗，即（二）定子漏抗55對(duì)于一定的電樞電流Id，由于△ABC是固定的，所以在空載特性曲線上移動(dòng)△ABC的頂點(diǎn)A時(shí)，C的軌跡即為零功率因數(shù)特性。如果我們?cè)诹愎β室驍?shù)特性曲線上向上平移△ABC的頂點(diǎn)C到額定電壓UN時(shí)，將得到△A'B'C'，并且O'C'=OC，O'A'//OA，由此可得到特性三角形的作法：（1）在額定電壓UN處作一水平線交零功率因數(shù)曲線于C'，截取O'C'=OC；（2）過O'作OA的平行線交空載特性曲線于A'；（3）過A'作A'B'⊥O'C'于B'，則△A'B'C'即為特性三角形(見圖14-9)。對(duì)于一定的電樞電流Id，由于△ABC是固定的，所以在空載特56第三節(jié)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定同步電機(jī)在對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)有xd(xs)、xq、x等。對(duì)于xd和x的測(cè)定方法，前面已經(jīng)作了說明。以下介紹用轉(zhuǎn)差法測(cè)定凸極同步電機(jī)的xd和xq值。用轉(zhuǎn)差法可以測(cè)出凸極同步電機(jī)的縱軸同步電抗xd和橫軸同步電抗xq值。勵(lì)磁繞組開路（或通過很大的阻值的短路，以防過電壓），使If=0，用外力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使n接近n1，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率s<1%，定子繞組外加額定頻率三相對(duì)稱電壓(低壓0.02∽0.15UN)，測(cè)量定子電壓及對(duì)應(yīng)電流。用示波器拍攝轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組開路電壓、定子電壓電流波形如下圖。第三節(jié)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定同步電機(jī)在對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)57在試驗(yàn)過程中．由于轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線將不斷地依次和轉(zhuǎn)子d軸或q軸重合，相應(yīng)地定子的電抗將隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子主極相對(duì)位置的變化，而在最大值xd與最小值xq之間作周期性的變動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子d軸一致時(shí)，磁阻最小，定子電抗達(dá)最大值xd，而定子電流為最小值Imin，由于供電線路壓降最小，故定子每相的端電壓為最大值Umax，忽略定子電阻，則在試驗(yàn)過程中．由于轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此旋轉(zhuǎn)58同理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子q軸一致時(shí)，磁阻最大，定子電抗達(dá)最小值xq，而定子電流為最小值Imax，由于供電線路壓降最大，故定子每相的端電壓為最大值Umin，忽略定子電阻，則因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)加的低電壓，電樞電流較小，產(chǎn)生的磁勢(shì)較小，磁路處于不飽和狀態(tài)，測(cè)得的xd和xq為不飽和值。同理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子q軸一致時(shí)，磁阻最大，定子電抗59第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的外特性與調(diào)節(jié)特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。從這些特性中可以確定發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率、額定勵(lì)磁電流和額定效率，這些都是標(biāo)志同步發(fā)電機(jī)性能的基本數(shù)據(jù)。一、外特性外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即n＝n1，If=常值，cosφ=常值時(shí)，U=f(I)。第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的外特性與調(diào)節(jié)特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)