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
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
I&d I&k , I&q 0
E&0 jI&d Xd jI&q Xq jI&k X d
F&ad F&
I&k
直轴同步电抗
F&f 1
X d (不饱和值)
E0 Ik
X d (不饱和值）
E0 Ik
例14-1 有一台三相水轮发电机，星形联结，SN=7500kVA，
UN=10.5kV，cosN=0.8 (滞后) ，空载、短路试验数据如下：
（1）空载特性（E0为线电动势）
if /A E0 / V
103 3460
200 6300
272 7250
360 7870
464 8370
（2）短路特性
if /A
50
100 150 200 250
Ik /A
180
360
540
720
900
试求Xd 的不饱和值。
if /A 103 200 272 360 464 if /A 50 100 150 200 250 E0 / V 3460 6300 7250 7870 8370 Ik /A 180 360 540 720 900
以凸极同步发电机为例来分析短路特性。
U sin
arctan
IX q
arctan X q
90
U cos IR U0
R R X q
•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。
E&0
F& F&f 1 F&a
F Ff 1 Fa
•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
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 不饱和时的励磁电流ifs之比，用k
UN
表示，即
k
if 0 i fs
一般， k =1.1~1.25。
o
同步发电机的标准空载特性
百度文库
气隙线 空载特性
i fs if 0
if
if
U0 E0
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
即短路特性曲线是一条过原点 的直线。
F&a
F&f 1
E&0
E& jI&k X s
F&
I&k
3.同步发电机的同步电抗和短路比
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。
1）隐极同步发电机
E0
同步发电机三相对称短路时，
磁路不饱和，有
E0
E&0 I&k (R jX c ) jI&k X c
（1）空载特性：当I=0时，E0=f(if) （2）短路特性：当U=0时，Ik=f(if)
（3）负载特性：当I=常数且cos=常数时，U=f(if) （4）外特性：当if =常数且cos=常数时，U=f(I) （5）调整特性：当U=常数且cos=常数时，if =f(I)
14-1 同步发电机的空载特性、短路特性和 同步电抗的测定
F&a
F&
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。
F&f 1
I&k
2）短路特性分析
E&
U& I&(R
U& 0
jX s ) R X s
E&
jI&k X s
短路时电机磁路不饱和，F E Ik
电枢磁动势正比于电枢电流，Fa Ik
Ff 1 F Fa Ik
Ff 1 if
Ik if
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 if
E0
250 3460 8398(V) 103
由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为
Ik 900A
Xd 的不饱和值为
Xd
E0 Ik
E0 3Ik
8398 5.387() 3 900
3）短路比
短路比：当同步发电机空载电动势E0等于额定电压UN时的 励磁电流为if0，在励磁电流为if0时的三相稳态短路电流为 IkN，IkN与发电机额定电流IN之比称为短路比Kc，即
空载特性曲线的校正：If=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。
E0
校正曲线
2）空载试验的重要作用
bo
if
•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。
2.同步发电机的短路特性
短路特性：当同步发电机转速为同步速（n=n1），定子三 相绕组稳态短路（U=0）时，定子相电流Ik（即稳态短路电 流）随励磁电流if变化的关系关系Ik=f(if)。
1）短路特性曲线的测定
Ik
A
A
短路
特性
A
A
o
短路特性
if
励磁
电枢
短路试验接线图
短路特性是一条过原点的直线。
2）短路特性分析
同步电抗
X c(不饱和值)
E0 Ik
Ik
o
X c(不饱和值)
Xc ZN
E0 IN E0 Ik UN Ik
气隙线
空载 特性
短路 特性
if
if
2）凸极同步发电机
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Xd的不饱和值。 三相稳态短路时，忽略电枢电阻R，则
=90，即
E&0 jI&k X d
1.同步发电机空载特性曲线的测定
空载特性：当同步发电机的转速
保 持 为 同 步 转 速 （ n=n1 ） 时 ， 空
E0
载电动势E0随励磁电流if变化的关
系E0=f (if ) 。
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。
o
if
1）空载特性曲线的测定
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if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n1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if 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：
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
I&d I&k , I&q 0
E&0 jI&d Xd jI&q Xq jI&k X d
F&ad F&
I&k
直轴同步电抗
F&f 1
X d (不饱和值)
E0 Ik
X d (不饱和值）
E0 Ik
例14-1 有一台三相水轮发电机，星形联结，SN=7500kVA，
UN=10.5kV，cosN=0.8 (滞后) ，空载、短路试验数据如下：
（1）空载特性（E0为线电动势）
if /A E0 / V
103 3460
200 6300
272 7250
360 7870
464 8370
（2）短路特性
if /A
50
100 150 200 250
Ik /A
180
360
540
720
900
试求Xd 的不饱和值。
if /A 103 200 272 360 464 if /A 50 100 150 200 250 E0 / V 3460 6300 7250 7870 8370 Ik /A 180 360 540 720 900
以凸极同步发电机为例来分析短路特性。
U sin
arctan
IX q
arctan X q
90
U cos IR U0
R R X q
•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。
E&0
F& F&f 1 F&a
F Ff 1 Fa
•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
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 不饱和时的励磁电流ifs之比，用k
UN
表示，即
k
if 0 i fs
一般， k =1.1~1.25。
o
同步发电机的标准空载特性
百度文库
气隙线 空载特性
i fs if 0
if
if
U0 E0
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
即短路特性曲线是一条过原点 的直线。
F&a
F&f 1
E&0
E& jI&k X s
F&
I&k
3.同步发电机的同步电抗和短路比
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。
1）隐极同步发电机
E0
同步发电机三相对称短路时，
磁路不饱和，有
E0
E&0 I&k (R jX c ) jI&k X c
（1）空载特性：当I=0时，E0=f(if) （2）短路特性：当U=0时，Ik=f(if)
（3）负载特性：当I=常数且cos=常数时，U=f(if) （4）外特性：当if =常数且cos=常数时，U=f(I) （5）调整特性：当U=常数且cos=常数时，if =f(I)
14-1 同步发电机的空载特性、短路特性和 同步电抗的测定
F&a
F&
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。
F&f 1
I&k
2）短路特性分析
E&
U& I&(R
U& 0
jX s ) R X s
E&
jI&k X s
短路时电机磁路不饱和，F E Ik
电枢磁动势正比于电枢电流，Fa Ik
Ff 1 F Fa Ik
Ff 1 if
Ik if
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 if
E0
250 3460 8398(V) 103
由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为
Ik 900A
Xd 的不饱和值为
Xd
E0 Ik
E0 3Ik
8398 5.387() 3 900
3）短路比
短路比：当同步发电机空载电动势E0等于额定电压UN时的 励磁电流为if0，在励磁电流为if0时的三相稳态短路电流为 IkN，IkN与发电机额定电流IN之比称为短路比Kc，即
空载特性曲线的校正：If=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。
E0
校正曲线
2）空载试验的重要作用
bo
if
•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。
2.同步发电机的短路特性
短路特性：当同步发电机转速为同步速（n=n1），定子三 相绕组稳态短路（U=0）时，定子相电流Ik（即稳态短路电 流）随励磁电流if变化的关系关系Ik=f(if)。
1）短路特性曲线的测定
Ik
A
A
短路
特性
A
A
o
短路特性
if
励磁
电枢
短路试验接线图
短路特性是一条过原点的直线。
2）短路特性分析
同步电抗
X c(不饱和值)
E0 Ik
Ik
o
X c(不饱和值)
Xc ZN
E0 IN E0 Ik UN Ik
气隙线
空载 特性
短路 特性
if
if
2）凸极同步发电机
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Xd的不饱和值。 三相稳态短路时，忽略电枢电阻R，则
=90，即
E&0 jI&k X d
1.同步发电机空载特性曲线的测定
空载特性：当同步发电机的转速
保 持 为 同 步 转 速 （ n=n1 ） 时 ， 空
E0
载电动势E0随励磁电流if变化的关
系E0=f (if ) 。
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。
o
if
1）空载特性曲线的测定
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if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n1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if 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：