同步发电机的参数测定和运行特性
同步发电机的稳态运行特性及
同步发电机在稳态运行时存在功率极限和稳定极限，这些极限决定了发电机的运 行范围和稳定性。
详细描述
功率极限包括额定功率和最大允许功率，分别表示发电机在正常工作条件下的输 出能力和承受的最大功率。稳定极限则表示发电机在受到扰动后恢复稳态运行的 能力。
同步发电机的运行状态与调整范围
总结词
同步发电机的运行状态可分为正常运行状态、异常运行状态 和停机状态，每种状态都有相应的调整范围。
详细描述
正常运行状态下，发电机根据负载需求在一定范围内调整输 出功率和电压。异常运行状态下，发电机可能需要采取措施 来恢复稳定或避免损坏。停机状态下，发电机停止运行并进 行维护检查。
03
CHAPTER
同步发电机的稳态运行分析
同步发电机的有功功率与无功功率调节
有功功率调节
有功功率的调节主要通过原动机输入 功率的改变来实现，包括对汽轮机或 水轮机的控制。调节有功功率可以稳 定电网频率，满足系统负荷需求。
大型火力发电厂通常配备多台同步发电机组，以满足高峰用电需求和备用容量的需 求。
水力发电站中的应用
水力发电站利用水流驱动水轮机 带动同步发电机旋转，产生电能。
同步发电机在水力发电站中起到 将水能转化为电能的作用，同时
保持电力系统的稳定运行。
水力发电站通常在河流、水库等 水资源丰富的地区建设，以满足
当地及周边地区的用电需求。
当发电机向系统提供有功功率并吸收一定的无功功率时，称为滞相运行。滞相运行会导致发电机端电压下降，需 通过增加励磁电流来维持电压稳定。
同步发电机的调压与调频
调压
同步发电机的调压方式主要有两种，一是通过调节励磁电流改变机端电压；二是通过调 节原动机的输入功率改变频率，进而影响机端电压。调压的主要目的是维持发电机端电
第 章同步发电机的运行特性
第17章同步发电机的运行特性17-1 同步发电机的空载和短路特性17-2 零功率因数负载特性17-3 同步发电机的外特性和调节特性17-4 滑差法和抽转子法测定同步电机参数17-1 同步发电机的空载和短路特性一、用空载特性和短路特性确定X d1. 空载试验试验条件电枢开路（空载）用原动机把被试同步电机拖动到同步转速改变励磁电流I f ，并记取相应的电枢端电压U 0（空载时U 0=E 0），直到U 0=1.25U N 左右，就可以得到空载特性曲线E 0= f （I f ）。
试验目的测得空载特性E 0=f （I f ）•空载特性可以通过计算或试验得到。
调节励磁回路可变电阻，使激磁电流逐步上升，每次记下If 和E的读数。
作同步电机的空载特性E=f(I f)，由于存在剩磁，规定用下降曲线来表示空载特性，从1.25UN对应的激磁逐步减小。
•同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，取U=UN时的励磁电流 (称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。
用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小、电压的高低，其空载特性彼此非常接近。
空载特性实验求取图17-1 空载实验电路和空载特性曲线注意：在绘制空载特性曲线时，应注意把E0换算成相值。
2. 短路试验试验条件电枢绕组短路用原动机把被试同步电机拖动到同步转速试验目的测得短路特性：I=f(If)调节励磁电流使电枢电流I 从零一直增加到1.2I N左右，便可以得到短路特性曲线。
（一）实验步骤：1.电枢端三相短路，短路实验接线图如图17-2；2.原动机拖动转子至同步速度，n = n1；3.调I f，使I由零升至1.2I N左右，逐点记录电枢电流和励磁电流；4.画出U＝0，Ik =f(If)图17-2 短路实验电路短路的等效电路图17-3短路特性和短路时的相矢图(a) 短路时的相矢图 ( b)短路特性•（二）短路特性短路时，限制短路电流的只有发电机的同步阻抗，忽略电枢电阻只考虑同步电抗，短路电流可认为纯感性。
同步发电机的参数测定和运行特性课件
同步发电机的参数测定和运行特性
在纯感性负载时
E0 UIxs
•磁路饱和决定于空气隙中的 合成磁场，忽略漏阻抗压降， 则决定于端电压。
•不同的端电压时，xs不同 •当磁路不饱和时，同步电抗 电压为c’a’，比ca大。不饱 和同步电抗的数值比饱和同步 电抗的数值大。
xs
xs UN
IN xs UN
ca ab
同步发电机的参数测定和运行特性课件
电机学
同步发电机的参数测定和运行特性
同步发电机的空载特性
ab
•当励磁电流较小时，由于磁通较 小，电机磁路没有饱和，空载特性 呈直线（将其延长后的射线称为 （气隙线）磁势主要消耗在气隙上
•随着励磁电流的增大，磁路逐渐 饱和，磁化曲线开始进入饱和段。 （向下弯曲）
•铁磁饱和后，需磁势迅速增大， 横向距离bc为铁磁部分的磁压
•
0
短路特性
IO INΒιβλιοθήκη •jI Xs•
••
•
E U I Ra j I X
•
•
I Ra j I X
•
j I X
•
•
E j I X
•
E0
O
•
I
90
•
jI Xs
纯去磁
Fa
短路特性不饱和
If Ifk
同步发电机的参数测定和运行特性课件
电机学
凸极同步发电机 的短路特性分析
同步发电机的参数测定和运行特性
IN
同步发电机的参数测定和运行特性课件
同步发电机的参数测定和运行特性
电机学
转差率试验，测定xd、xq
同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速，转子激 磁绕组开路（不加激磁），在定子端子上外施—对称三 相电压。为了避免转子被牵入同步，外施电压约为额定 电压的1/4左右，且使其相序能保证电枢旋转磁场的转 向与转子的转向—致。
电机第十四章同步发电机的运行特性
零功率因数负载特性的分析
什么是零功率数负载特性
零功率数负载特性是指转速为同步
速度，负载电流和功率因数为常数值时， 发电机的端电压与励磁电流之间的关系 曲线。
U f (I f )
注意：零功率数负载特性与 空载特性的区别 不同的负载电流和功率因 数有它对应的零功率数负载特 性。
U 0 E0
jI x E 0 c
E0 xc IK
U 0 E0
Ik
气隙线
E0
短路特性
Ik
0
If
( Ff ) I f
E0 xc IK
如果漏电抗 xS 已知：
E0 xc IK
xa xc xs
对于凸极发电机，短路时忽略电阻压降
I K 滞后 E0 900
I I d K
0 I q
空载特性
cos 1 cos 0.8 cos 0
0
If
不同功率因数时的负载特性
负载特性是恒电流特性，其中 最有意义的是 IN = 常数、 cos 0 的
零功率因数负载特性。
（二）零功率数负载特性的测试方式
1、试验时，把同步发电机拖动到同步转速。 2、电枢绕组接到可变的三相纯电感对称负
R
E a
E E
I
U
I R jI x 短路时： E K K S
忽略 R
jI x E K S
xa
E 0
xS
R
E a
E E
I K
E 0
xa
E 0
xS
E a
jI x E K S
E a
同步发电机的运行特性
同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性有（空载特性、短路特性、负载特性）合称电机基本特性、（外特性和调整特性）主要是运行特性等五种。
外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。
空载特性、短路特性和负载特性是检验发电机基本性能的特性，用于测量、计算发电机的各项基本参数一、发电机的空载特性（Eo与IL关系）所谓发电机空载运行是指发电机以额定转速运转，定子不带负荷时的运行。
此时，空载电势Eo与励磁电流IL之间的关系叫做空载特性。
当发电机处于空载运行状态，其端电压U就等于电势Eo,因此，端电压U与励磁电流的关系曲线就是空载特性。
如图所示空载特性曲线E0=f(I),做空载特性试验时，应维持发电机转速不变，逐渐增加励磁电流，直至端电压等于额定电压的130%时为止。
在增加励磁电流的过程中，读取励磁电流值及与其对应的端电压值，便可以得到空载特性的上升分支。
接着减小励磁电流，按上面方法读取数值；便得到下降分支，如图2-1-2（a）所示。
由于两曲线的平均，如图中虚线所示。
空载特性曲线是发电机的一条最基本的特曲线。
可用来求发电机的电压变化率、不饱和的同步电抗值等参数。
二、发电机的短路特性（定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线）所谓发电机的短路特性，系指发电机在额定转速下，定子绕组短路时，定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线。
如图2-1-3所示。
短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数饱和的同步电抗与短路比外，在发电厂中，常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障。
显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的减少，短路特性曲线是会降低的。
三、发电机的外特性（负荷与端电压）所谓发电机的外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，端电压U的变化曲线，即U=f(I)曲线。
在滞后的功率因数情况下cos(θ),当定子电流增加时，电压降落较大，就是由于此时电枢反应是去磁的。
同步发电机的运行特性
U0 I
UN
IN IR
E0
3
E0
1
2
If0 IfN If
图 1-5 同步发电机的短路特性
利用空载特性和短路特性，从而可以确定同步电抗的不饱和值和短路 比。同步电抗：xd=E 0ˊ/ IR ˊ； 短路比：Kc= E 0ˊ/(IN*xd)=Ku/xd
短路比大，则同步电抗小，负载电流引起的端电压的波动幅度较小； 但短路电流则较大，且发电机的静态稳定极限就越高。
上升分支：在电压上升时记取对应的电压U0和励 磁电流If值。
下降分支：逐步减小励磁电流，记取对应的电压
U0 下降分支
U0 E0
U 上升分支
N
2 1
If
图 1-3同步发电机的空载特性曲线
If1 If0 If
图 1-4同步发电机的实用空载特性曲线 1-空载特性曲线 2-气隙线
发电机的空载特性曲线为上升和下降的两条分支
对于感性和纯阻性负载，为了补偿负载电流所产生的电枢反应去磁作 用，保持发电机端电压U不变，必须随负载电流I的增大相应地增大励增 电流If。因此图中调整特性曲线是上升的，如图中cos =0.8和cos =1的曲 线所示。
对于容性负载，为了抵消电枢反应的助磁作用，保持发电机端电压不 变，必须随负载电流的增加相应地减少励磁电流。因此图中调整特性曲 线是下降的，如图中cos（- ）=0.8的曲线所示。
在做试验时，我们从表计反应的电压、电流值，可以得到机组的空 载励磁电压和电流值，若此值超过常规数值，即可能是定子铁芯有 片间短路或转子绕组有匝同步发电机保持额定转速下，定子三 相绕组的出线端持续稳态短路时，定子相电流I（即 稳态短路电流）与励磁电流If的关系，即n=nN， U三=相0时短，路I=试f验(If)：。先将定子三相绕组的出线端短接， 维持额定转速不变，调节励磁电流If，使定子短路电 流I从零逐渐增加，直到短路电流等于 1.25倍的额定 电流为止。记取对应的I和If，做出短路特性I=f(If)， 如图1-5中直线2所示。
同步发电机的运行特性
同步发电机的运行特性1、同步发电机单机运行时，输入转矩和磁力电流保持不变，当有功负载（>）增加时，端电压U 下降，频率下降；当无功负载（>）增加时，端电压下降，频率f 不变。
2、同步发电机的短路比可借助于空载特性和短路特性两条特性曲线来求取。
3、同步发电机稳态短路时，空载电动势是用来平衡稳态短路电流在同步电抗上的压降而气隙电动来平衡稳态短路电流在漏抗上的压降。
4、影响同步电动机电压变化率的因素，有负载大小和性质和同步阻抗。
5、一台同步发电机带cos=0.8的阻感性负载运行，若定子电流减小，发电机端电压升高，为保持电压额定值不变，励磁电流要减小。
6、同步发电机带纯电阻负载时，从外特性曲线可知，若电枢电流增加，端电压会下降，其主要原因有内功率因数角>，仍有一部分直轴去磁电枢反应磁动势作用的结果。
7、测定同步发电机短路特性时，如果转速降低0.8nN时，测得的短路特性(A)。
（A）不变（B）提高0.8倍（C）降低0.8倍8、试比较同步发电机在空载（=）、短路实验（U=0, =）、满载（U=, =,cos=cos）三种情况下气隙磁通的大小。
（提示：用向量图分析）答：=短路实验时=满载时。
>>，所以9、简析同步发电机在短路特性曲线为什么是一条直线？、答：由=可知短路时气隙电动势直需用来平衡漏抗电压，因为很小，故很小，其所对应的漏磁通也很小，所以磁路不饱和。
故，又因为所以，两者为一直线关系。
10、为什么短路比是同步电抗的一个重要参数？、答：短路比直接影响惦记的制造成本和运行性能。
（1）大，成本高。
（2）大，小。
（3）大，小，大，稳定性高。
（4）大，短路电流大。
11、画出同步电动机各种性质负载时的外特性曲线。
12、写出同步发电机四条运行特性定义，并画出相应的曲线。
13、保持励磁电流不变，电枢电流，发电机转速恒定，试分析：①空载；②纯阻负载；③纯感负载；④纯容负载（设容抗大于发电机的同步电抗）时发电机端电压的大小？欲保持端电压为额定值，应如何调节？答：>>>以空载电压为基准（=），容性负载产生直轴助磁电枢反应，使端电压升高。
同步发电机的运行特性
.
.
E0
Ead
图6.31凸极机稳
Fad '
F '
.
E
态短路时-空矢量
.
Ff
Fad '
I
E U IRa jIX jIK X
.
U 0
E E0 Ead Eaq U IRa jIX
4、特性三角形（短路三角形）
E
E0 =f (If ) E
C
E
Ff （ If ）
三角形ABC为同步 发电机的特性三角 形。
-AB =Fad‘ -AC=INX
O
A F'
Fad‘
B 数值小,对应的磁通也,电机磁路不饱和
图6.32 特性三角形
E E0 Ead Eaq U IRa jIX
思考： 同步发电机定子绕组的出线端短路后，电枢
电流 IK随励磁电流 If 变化，两者为什么成正比 关系？
三、零功率因数特性
1、定义
发电机的负载特性是指当负载电流=常数， 功率因数cosj=常数的条件下，端电压U与励 磁电流的关系 。其中当cosj=0时一条负载特 性称为零功率因数特性。
2、相量图
cosj=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。
E U IRa jIX U jI X
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) 3、 负载特性：当I=const,cosΦ=const时,
U＝f(if) 4、 外 特 性：if= const,cosΦ=const时，
U＝f(I) 5、 调整特性：U= const,cosΦ= const时,
第14章 同步发电机的运行特性
Eδ ≈ jI k X s
Fa
Fδ
Eδ
磁路不饱和
Ff 1
jIk Xs
Ik
Fδ ∝ Eδ ∝ I k
Fa ∝ I k
Ff 1 = Fδ + Fa ∝ I k
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
I
I = Id，Iq = 0
U ≈ jI d X d
转差试验时的电枢端电压和 电枢电流波形
此时同步电抗最大为Xd ，有
I = Id = 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
2ULmin
d轴
I = Iq，Id = 0
U ≈ jI q X q
14-2 同步发电机零功率因数 负载特性及定子漏电抗的测定
负载特性：当n=n1，cos =常数且I=常数时，U=f(if)。
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
U sin + IX q U cos + IR
U =0
if
短路特性的测定
= 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。
Fδ = Ff 1 + Fa
同步发电机的稳态运行特性及
2020/3/30
38
第三节 稳态参数的实验测定
转差法测量同步电抗的实验步骤：
• 励磁绕组开路（或经大电阻短路，以防过电压）， If=0；
• 用外力拖动转子转动，使n接近n1，转差率s <1%； • 定子绕组外加额定频率三相对称电压(低压0.02～
0.15UN)，测量定子电压及对应电流。用示波器拍摄 转子励磁绕组开路电压、定子电压和电流波形。
• 旋转磁场轴线与d 轴一致时，磁阻最小，xd最大，定 子电流最小Imin，由于供电线路压降最小，故定子每 端电压为最大Umax，忽略定子电阻，则
E0 IK
2020/3/30
短路的等效电路
16
xd的不饱和值的求取
同步电抗简单测量方法：
➢ 同步机在同步转速下运转，测开路和短路特性。
➢ 在同一坐标纸上绘成曲线，并作出气隙线。
➢ 选一固定的If，求对应 的Ik和对应于气隙线上 的E0，则同步电抗：
xd(不饱和)= E0/Ik
U 0，I E0
E0 UN
2020/3/30
20
短路比的确定
kC
Ik IN
I
f（0 U0
U
）
N
I f（N Ik
I
）
N
短路比又可定义成：
空载时使空载电压为额定值的励磁电流If0与短路 时使短路电流为额定值的励磁电流IfN的比值。
短路比与不饱和电抗的关系
Ik E0 / xd
kc
E0 / xd IN
E0 /U N IN xd /U N
零功率因数负载特性：
n n1; I IN ;cos 0;U f (I f )
第603_同步发电机的运行特性
所谓零功率因数特性指：在n=n1，I=恒定值、 cosφ=0的条件下，所得到的特性U=f(if )。
在 I =定值条 U
件下，把发电机端
UN
电压及励磁电流的 变化关系描绘成曲 线，便得到零功率 因数特性。
2－零功率因 数负载特性
If
1.零功率因数负载下的电磁关系
由于同步电机是在电感负载下运行，而电机本身 的阻抗也是电感性的，因此，电势和电流之间夹角 ψ=90°，所以电枢反应是纯粹的直轴去磁效应。
短路特性为一直线
去磁磁势
I f IK
同步发电机在三相稳态短路时，由于短路电流所产生 的电枢磁势对主磁极去磁，减少了电机中的磁通及感应电 势，使短路电流不致过大，所以稳态的三相短路是没有危 险的。
.
.
三相短路时，由于 I滞k 后于 E900电角度，即ψ=90°，
因此在凸极电机中，短路电流全是直轴分量，而交轴分
为零时，励磁电流不为零呢？
U IK
UN
2－零功率因 数负载特性
0 C
If
（1）零功率因数特性是在 U=0 定值条件下得到的， 由于绕组中流过电流，产生漏抗压降IXσ，所以需要 一定励磁电流 ，以产生电势来平衡此漏电抗压降。
（2）零功率因数曲线是在纯电感负载下得到的，从 图右以看出，此时的电枢反应是一个纯粹的去磁作 用，所以再需要一定的励磁电流来抵消此电枢反应 去磁作用的影响。
第603_同步发电机的运行特性
UN
If
二、零功率因数曲线求取
两点试验实验法
额定电压点——（ I=IN,U=UN ）调节 （ 额定电压点 发电机处于过激，电枢电流为额定值， 发电机处于过激，电枢电流为额定值， 输出有功功率为0（零功率因数）， ），激 输出有功功率为 （零功率因数），激 磁电流和额定电压决定该点
UN
IK
IN
I f δ I f 0I fk If
短路比和发电机的性能
1 kC = k µ * 分析：短路比略大于不饱和同步电抗的倒数 Xd 短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化就小， 短路比大 并联运行时发电机的稳定度较高；设计上，电机气隙较大，转 子的额定激磁磁势和用铜量增大，成本增加 成本增加。 成本增加
6.3.3 零功率因数特性
U
UN
2－零功率因 数负载特性
If
一、零功率因数负载下的电磁关系
由于同步电机是在电感负载下运行，而电机本身 的阻抗也是电感性的，因此，电势和电流之间夹角 ψ=90°，所以电枢反应是纯粹的直轴去磁效应。 同步发电机在电感负载下运行，磁极磁势补偿了 电枢反应去磁磁势后，剩余部分在电机气隙内产生磁 U
2、 短路特性：当 U =0时， I K = f (i f ) 3、 负载特性：当 I =const,cosΦ=const时,U = f (i f ) U 4、 外 特 性：当 i f = const,cosΦ=const时， = f ( I ) 5、 调整特性：当 U = const,cosΦ= const时,i f = f ( I )
得到：
.
.
.
.
E0 = j I k Xd
.
.
因为忽略了电阻效应，电枢是纯电感电路，短路 电流滞后于电势90电角度，所以产生的电枢反应是直 轴去磁效应。此时电机内的磁通很弱，磁路是不饱和 的，所以同步电抗为一个常数。
电机学实验四 三相同步发电机稳定运行特性测定
实验四三相同步发电机一、实验目的1. 用实验方法测取三相同步发电机的运行特性；2. 研究同步发电机投入电网并联运行的方法。
二、实验内容1. 在f=fN, I=0的条件下, 测取空载特性曲线U0=f（If）；2．在f=fN, U=0的条件下, 测取短路特性曲线IK=f（If）；3. 用准确整步法将同步发电机投入电网并联运行。
三、实验接线接线时, 可单独使用同步指示灯或同期表, 也可同时使用同步指示灯和同期表。
使用同期表时, 同期表A.B端接发电机AB相线电压, 同期表A0、B0端接电网端AB相线电压。
四、实验说明1. 空载实验实验步骤:1）请参照实验接线图4-1正确接线。
2）启动直流电机（请参照实验三）。
3）使机组转速n=nN=1500r/min, 并保持不变。
按下实验台同步机励磁电源（40V/4A）合闸按钮, 合上发电机励磁电源箱（40V/4A）的电源开关, 点击“增”按钮将同步发电机电压逐渐升高, 使发电机空载端电压U0=1.1UN, 然后减小同步发电机励磁电流If, U0下降, 直至If=0, 测取7到8组数据, 记录If、U0于表4-1中。
表4-1I fU02．注意: 同步发电机的励磁电流不能忽大忽小, 必须单方向调节。
3．短路实验短路实验接线原理图自拟。
启动直流电动机, 将转速调节到接近额定转速。
先将同步发电机的三相定子绕组短接, 然后加励磁, 调节同步发电机的励磁电流If, 使定子短路电流IK=1.1IN（IN=3.6A）。
再减小励磁电流直至If=0, 记录4到5组数据, 记录If、IK于表4-2中。
表4-23. 用准确整步法将同步发电机投入电网并联运行实验步骤:（1）请参照实验接线图4-2正确接线。
（2）盘车检查, 确认电机没有卡住或异常响声。
（3）按实验一的方法启动直流电动机, 使直流电动机的转速逐渐上升至1500转/分左右。
（4）按下实验台电网合闸按钮, 按下实验台同步机励磁电源（40V/4A）合闸按钮, 合上发电机励磁电源箱（40V/4A）的电源开关, 点击“增”按钮将同步发电机电压逐渐升高压, 使发电机的端电压等于电网电压。
电机学 第14章 同步发电机的运行特性
E 0 jIk X d
Id Ik, Iq 0
E0jIdXdjIqXq jIk X d
F ad F
Ik
直轴同步电抗
F f1
Xd (不饱和值)
E0 Ik
X d (不饱和值）
E0 Ik
第11页，共40页。
例14-1 有一台三相水轮发电机，星形联结，SN=7500kVA，UN=10.5kV，cosN (滞后) ，空载、短路试验数据如下： （1）空载特性（E0为线电动势）
100
150
200
250
E0 / V 3460
6300
7250
7870
8370
Ik /A
180
360
540
720
900
解：当励磁电流if =250A时，由气隙线可查得空载线电动势为
E0
if i f
E 0
25034608398(V) 103
由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为
Xd 的不饱和值为
电机学 第14章 同步发电机的运 行特性
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第十四章 同步发电机的运行特性
基本要求： 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 空载特性、短路特性测量同步电抗的方法 空载特性、零功率因数负载特性测量定子漏电抗的方法
同步发电机的外特性和调整特性
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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，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。
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14-3 同步发电机的外特性和调整特性
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调节原动机转速，使约有1％一2％的转差。此时，定子
旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和交轴重合。
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电机学
电机学
隐极同步发电机 的短路特性分析
E 0 U I Ra j I X s I Ra j I X s j I Xs E U I Ra j I X I Ra j I X
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Ff
短路特性 IO IN
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电机学
零功率因数曲线求取
两点试验实验法
额定电压点c点——（ I=IN,U=UN ）调 节发电机处于过激，电枢电流为额定值， 输出有功功率为0（零功率因数），激 磁电流和额定电压决定c点
当电机较大时，将电机并 联于电网，有功调节为零， 调节励磁使发出无功电流 达到IN，即为e点.
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电机学
短路特性的测定——短路试验
先将三相电枢绕组在出线端处短接，再起动原动
机将发电机带到同步转速，通入不同数值的激磁
电流If，读取每次相应的短路电流Ik，即得同步
发电机的短路特性。
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– 定子旋转磁场与转子转向一致；
– 转速接近但不等于同步转速，S<0.5%。
操作：
– 用示波器拍摄电枢电压、电枢电流和励磁电压波形。
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电机学
转差法求Xd和Xq
原理： ຫໍສະໝຸດ E 0 U I Ra j I d X d j I q X q I f 0 E0 0，Ra 0
为不饱和值
1 外施电压低，定子电枢磁场较小 2 无激磁电流，没有转子励磁磁场
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电机学
转差率试验，测定xd、xq
应用： 正常运行时，电机磁路饱和，d轴气隙小而磁导大，磁路
饱和而使xd减小，分析时应用xd饱和值；短路时，由于电
电机学
空载特性的实验测定
剩磁电动势
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电机学
空载特性的工程应用
① 将设计好的电机的空载特性与常规空载 特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合 理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材 料没有充分利用。 如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压 调节困难 如饱和度太低，则负载变化时电压变化较 大，且铁心利用率较低，铁心耗材较多。
电机学
同步发电机的短路特性
发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流Ik
与激磁电流If间的关系曲线。
忽略绕组电阻ra
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电机学
同步发电机的短路特性
影响： 电机磁路处于 不饱和状态。
(c) 短路运行时，Ik 滞后于E0 90o电角度， 90 ，交 轴分量Ikq =0 ，电枢反应为纯去磁作用。
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电机学
同步电抗的实验测定
不饱和同步电抗 短路时不计饱和
E0 jI k x s jI k xd
E0 ' xd x s Ik
凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得
xq 0.65 xd
' E0 IN I E' U ' I N xd E0* xd * k 0 N UN UN Ik I N I k*
转差率试验，测定xd、xq
当定子旋转磁场与转子直轴重合时，定子的电抗为xd，此 时电抗最大，定子电流最小，线路压降最小，端电压为最 大。 当定子旋转磁场与转子交轴重合时，定子的电抗为xq，此 时电抗最小，定子电流最大，线路压降最大，端电压为最 小。 计算
U max xd I min
U min xq I max
短路点e点——（I=IN,U=0） 调节发电机励磁电流，使三相稳定短路电流为额定值
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电机学
同步发电机的参数及测定
同步电抗：饱和与不饱和值 xd和xq的转差法测定
短路比
漏抗和保梯电抗
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F F f kad Fad
端电压
U E0 Ix s E Ix
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空载特性与零功率因数曲线
mn对应于去磁磁势 kadFad的励磁电流 on：合成磁势 om=mn+om：励磁磁势Ff an：E——合成电势 ab：Ixσ bn=cm：U=E-Ixσ
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电机学
空载特性的工程应用
必须掌握（*）
②结合短路特性可以求取同步电机的参数。 ③发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对 称性以及励磁系统的故障。
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同步发电机的空载特性
a b
•当励磁电流较小时，由于磁通较 小，电机磁路没有饱和，空载特性 呈直线（将其延长后的射线称为 （气隙线）磁势主要消耗在气隙上 •随着励磁电流的增大，磁路逐渐 饱和，磁化曲线开始进入饱和段。 （向下弯曲） •铁磁饱和后，需磁势迅速增大， 横向距离bc为铁磁部分的磁压 •为了合理地利用材料，空载额定 电压一般设计在空载特性的弯曲处， 如图中的c点
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饱和同步电抗{这页不太懂}
在纯感性负载时 •磁路饱和决定于空气隙中的 合成磁场，忽略漏阻抗压降， 则决定于端电压。 •不同的端电压时，xs不同 •当磁路不饱和时，同步电抗 电压为c’a’，比ca大。不饱 和同步电抗的数值比饱和同步 电抗的数值大。
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电机学
短路特性曲线
Ik U=0
稳态短路时，电枢反应为纯去磁作 用，电机的磁通和感应电势较小，
If 0
短路电流不大，三相稳态短 路运行没有危险
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主要变量：电压U、电枢电流I、激磁电流If和 功率因数cosθ
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电机学
同步电机的特性分析基础
特性： U (1)空载特性： 0 f I f I=0 (2)短路特性：I k f I f U=0 (3)负载特性：U f I f I=const、cosθ=const (4)外特性： U f I If=const、cosθ=const
电机学
负载特性曲线
端电压与激磁电流间的曲线
U＝f(If)，I=const，
cosθ=const
零功率因数特性（2） ： cosθ=0的负载特性
纯感性负载，纯去磁作用的
电枢反应
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电机学
负载特性曲线
零功率因数特性（2） ： cosθ =0的负载特性 •纯感性负载，纯去磁作用的 电枢反应 Faq=0,Fad=Fa 矢量（相量）关系变成了代数关系 合成磁势
电机学
Electrical Machinery
自动化系温志明
2012
电机学
本节内容
空载、短路特性
转差法求Xd和Xq；短路比的概念（补充）
外特性、调整特性、效率特性
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电机学
同步电机的特性分析基础
对称运行：指电机转速为额定值且保持恒定， 并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式
负载时实际励磁
c点：对应(U,If)为零功 率因数特性曲线上一点
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电机学
空载特性与零功率因数曲线
电抗三角形abc
如电枢电流保持不变， 三角形大小不变
高ab= Ixσ，底边bc=mn 均正比于电枢电流
负载时实际励磁
c点轨迹即为零功率因数 曲线
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电机学
空载特性的实验测定
调节可变电阻，使励磁 电流逐步上升，每次记 下If和E0的读数。 作同步电机的空载特性 由于存在剩磁，规定用 下降曲线来表示空载特 性。 从1.3UN对应的励磁逐步 减小
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E0 U Ix s
xs I N x s ca x s UN UN ab IN
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