第14章 同步发电机的运行特性

E
很小
磁路不饱和
F f1
jIk X s
I k
F E I k
Fa Ik
Ff 1 F Fa Ik
Ff 1 i f
即短路特性曲线是一条过原点的直线。
Ik i f
3.同步发电机的同步电抗和短路比 1）隐极同步发电机
三相短路时，有
E0
E0
气隙线
空载 特性 短路 特性
jI X E 0 k d
I , I d k
0 I q
F F ad
jI X jI X E 0 d d q q
X jI k d
直轴同步电抗
I k
F f1
X d (不饱和值)
E0 Ik
X d (不饱和值）
E0 Ik
3）短路比
短路比：同步发电机在空载额定电压所对应的励磁电流 if0 励磁下，三相稳态短路时的短路电流IkN与额定电流IN之比， 用Kc表示，
1.零功率因数负载特性
零功率因数负载特性：当n=n1，cos=0且I=常数时，U=f(if)。


A
A
V
A A 励磁 电枢
纯感性负载
零功率因数负载特性的测定
cos 0
arctan
U sin IX q U cos IR
90
F 纯去磁作用 F a ad
此时同步电抗最大为Xd ，有
I I d Imin
直轴同步电抗
U U max
U max Xd I min
•电枢磁场轴线与转子交轴重合
d轴
q轴
2U L min
d轴
I ，I 0 I q d
jI X U q q
2U L max
2I L max
2I L min
U
此时同步电抗最小为Xq，有
2 ）电压调整率： 保持额定运行时
的励磁电流 ifN 和转速 nN 不变，对应 的发电机空载电动势 E0 和额定电压 UN之差与额定电压的比值，即
U
E0 UN
if = ifN，cos= cosN
E0 U N U 100% UN
2.同步发电机的调整特性
调整特性：当 n=n1 ， U= 常数且
I (R jX ) jI E 0 k c k Xc
同步电抗
Ik
X c (不饱源自文库值)
E0 Ik
o
X c (不饱和值)
E0 I N I N X c E0 U N E0 Ik U N I k I N Ik U N
if
if
2）凸极同步发电机
三相短路时，如果忽略电枢电阻 R，则=90，即
当n=n1，if =常数且cos=常数时，
if 不变 I
E 0
jIX a
E
jIX s
IR
U

Ff1 不变
Fa，电枢反应 的去磁作用增强 F
cos=0.8
I

E U IZs
•在感性负载或纯电阻性负载时，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。
•在感性负载或纯电阻性负载时， U 外特性是一条向下倾斜的曲线； •在容性负载时，外特性可能是一 条上翘的曲线。 影响外特性曲线的因素： 电枢反应；定子的漏阻抗压降。 O
IN I
UN
cos=1
cos()=0.8 cos=0.8
F F F f1 a
U IR jIX E s
I I q I max
U U min
I
U min 交轴同步电抗 X q I max
转差试验时的电枢端电压 和电枢电流波形
注意：由于外加电压 U 很低，磁路不饱和，所以转差法测 得的Xd、Xq均为不饱和值。
2.取出转子法 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%UN），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
当n=n1，if =常数且cos=常数时，
jIX s
IR
jIX a E E
0
U
Ff1 不变 if 不变 Fa，电枢反应 I 的助磁作用增强
F
E

U
I
cos()=0.8
IZs

•容性负载且0时, 由于电枢反应的助磁作用，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。
X s X Xt
arctan
Xq R
R X q
90
短路运行时，电枢反应为直轴去磁电枢反应。
F F F f1 a
F Ff 1 Fa
0 U
Xs
E 0
U I (R jX ) E s R
E 很小
jI X E k s
F a
F
2.同步发电机的短路特性
短路特性： n=n1 ， U=0 （定子绕组三相短路）时，定子短 路电流Ik 与励磁电流 if 的关系Ik=f(if)。 短路特性分析
Ik
短路 特性


A
A
A A 励磁 电枢
o
arctan
U sin IX q U cos IR
U 0
if
短路特性的测定
lm：补偿漏电抗压降作用所需
增加的磁动势。
特性三角形kmn
E0 U
E
空载特性
k
q
F
mn kad Fad I km IX s I
I不变时，kmn 不变
U
l
m IX s
kad Fad
n
零功率 因数特性
o
m
Ff
Ff , i f
结论：在零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个特性 三角形 kmn ，其垂直边为定子漏电抗压降，其水平边为与
cos=常数时，if =f(I)。
O
if
IN
cos=0.8
I
cos=1 cos( )=0.8
o
I
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
交 流 电 源 降 压 变 压 器
A V
n1
n
1）方法：由原动机将凸极同步电机拖动至接近同步转速
（s<1％），转子励磁绕组开路，在定子端子上外施额定频 率的相序与转子转向一致的对称三相低电压，测量定子电 压U、定子电流I 。
I kN Kc IN
I kN i f 0 i f 0 i fs Kc I N i fk i fs i fk
UN 1 UN k k k Ek Xd IN Xd
E0 Ek
气隙线
空载 特性 短路 特性
UN
IN I kN
o
i fs i f 0 i fk
if
产生额定短路 电流的励磁电流
载电动势E0与励磁电流if之间的 关系，即E0=f(if)。
E0
空载特性的测定：定子绕组开 路，用原动机把同步发电机拖动 到同步转速，改变励磁电流 if ， 并记取相应的电枢端电压U0，可 得空载特性曲线。
校正曲线
bo
if
磁路的饱和因数：当 E0=UN 时， E0 磁路饱和时的励磁电流 if0 和磁路
X p Xs
试验曲线 零功率 因数特性
o
kad Fad
n
Ff , i f
Ff
Ff
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，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。
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：n=n1，if =常数且cos=常数时，U=f(I)。
空载特性
E 0
E
E0 U
jIX s
U
E
k
q
F
U
l
m IX s
kad Fad
n
零功率 因数特性
F ad
F
I
o
F Ff 1 Fad
F f1
Ff
Ff , i f
F F F f1 ad
mn：补偿电枢反应去磁磁动势
所需增加的励磁磁动势；
U IR jIX E U IX s E s
U Z I
P R 2 I
X Z R2
2
2）原理：
E E 0 E 0 a
I R jX 0 U s
U R jX s I
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Xt。 可采用计算法或探测线圈法求出Xt，则
2）原理：
i f 0，E0 0
R0
2U L max
d轴
q轴
2U L min
d轴
jI X jI X U d d q q
U
2I L max
•电枢磁场轴线与转子直轴重合
2I L min
I
I ，I 0 I d q
jI X U d d
转差试验时的电枢端电压 和电枢电流波形
电枢反应等效的励磁磁动势。
2.由空载和零功率因数特性测定定子漏电抗
作图法求定子漏电抗Xs:
在零功率因数负载特性 上任取一点n（一般取额定 电压点），作 on on ；
E0 U
气隙线
空载特性
k
o m n
零功率 因数特性
过 o 作气隙线的平行线， 交空载特性于k点；
连接kn，过 k点作on的 垂线，交 on 于 m 点，得特 性三角形 kmn ；
气隙线
不饱和时的励磁电流ifs之比，用k
表示，即
UN
空载特性
k
if 0 i fs
一般， k =1.1~1.25。
o
i fs i f 0
if
同步发电机的标准空载特性
if
U0 E0
0.5 0.58
1.0 1.0
1.5 1.21
2.0 1.33
2.5 1.40
3.0 1.46
3.5 1.51
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
14-1 同步发电机的空载特性、短路特性 和同步电抗的测定
1.同步发电机空载特性曲线的测定 空载特性：在同步转速下，空
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
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
1 K c k Xd
短路比Kc对同步电机性能和成本的影响： △U小，并联运行时稳定性好；
当Kc大时，Xd小
气隙大，造价高，经济性差。 △U大，并联运行时稳定性差；
当Kc小时，Xd大
气隙小，造价低，经济性好。
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
负载特性：当n=n1，cos =常数且I=常数时，U=f(if)。
k
o
m
n
Ff , i f
k m I X s 。
k m代表的相电势 定子漏电抗 X s I
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Xp。
气隙线
E0 U
k
k
空载特性 理论曲线
k m代表的相电势 Xp I
o om m
nn