东北电力大学电机学ppt讲义第17章.ppt

东北电力大学东北电力大学第第17章章 同步发电机的运行特性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同步发电机的空载和短路特性17-2 零功率因数负载特性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滑差法和抽转子法测定同步电机参数 东北电力大学东北电力大学17-1 同步发电机的空载和短路特性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一、用空载特性和短路特性确定Xd1.空载试验空载试验试验条件试验条件电枢开路（空载）电枢开路（空载）用原动机把被试同步电机拖动到同步转速用原动机把被试同步电机拖动到同步转速改变励磁电流改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压并记取相应的电枢端电压U0（空载空载时时U0=E0），），直到直到U0=1.25UN左右，就可以得到空载特左右，就可以得到空载特性曲线性曲线E0=f（If）。）。试验目的试验目的测得空载特性测得空载特性E0=f（If）东北电力大学东北电力大学注意：注意：在绘制空载特性曲线时，应注意把在绘制空载特性曲线时，应注意把E0换算成相值。换算成相值。图17-1 空载实验电路和空载特性曲线 东北电力大学东北电力大学2.短路试验短路试验试验条件试验条件电枢绕组短路电枢绕组短路用原动机把被试同步电机拖动到同步转速用原动机把被试同步电机拖动到同步转速试验目的试验目的测得短路特性：测得短路特性：I=f(If)调节励磁电流使电枢电流调节励磁电流使电枢电流 I 从零一直增加到从零一直增加到1.2IN左右，左右，便可以得到短路特性曲线。便可以得到短路特性曲线。东北电力大学东北电力大学短路特性曲线是一条直线，因为短路时短路特性曲线是一条直线，因为短路时合成电动势较小，此路不饱和。合成电动势较小，此路不饱和。图17-2 短路实验电路和短路特性曲线 东北电力大学东北电力大学3.同步电抗同步电抗Xd非非的计算的计算短路试验时磁路不饱和，空载短路试验时磁路不饱和，空载电动势应在气隙线上查取。电动势应在气隙线上查取。所所计算的电抗计算的电抗Xd非非为不饱和电抗为不饱和电抗图17-3 空载和短路特性曲线 东北电力大学东北电力大学二、短路比二、短路比短路比是同步发电机的一个重要数据，定义为短路比是同步发电机的一个重要数据，定义为短路比大，短路比大，电电机的运行性能机的运行性能好，但造价好，但造价较较高。高。图17-4 利用特性曲线求参数 东北电力大学东北电力大学例例17-1 有一台有一台25000 kW，10.5kV，Y接，接，cos =0.85（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数：验中得到下列数：空载试验数据空载试验数据0.0 6.2 10.5 12.3 13.46 14.10.0 77.5 155 232 310 388短路实验数据短路实验数据0.0 860 1718 0.0 140 280 试求电机的同步电抗和短路比。试求电机的同步电抗和短路比。东北电力大学东北电力大学解解:从空载特性上查得：线电压从空载特性上查得：线电压U0=10.5/kV时，时，If0=155A。额定电流为额定电流为连接空载特性的前两个点作为气隙线，由气隙线算得当连接空载特性的前两个点作为气隙线，由气隙线算得当If=280A时时22.4kV，相电动势相电动势 东北电力大学东北电力大学由由，可求得短路比可求得短路比所以同步电抗为所以同步电抗为 用标幺值计算时用标幺值计算时 东北电力大学东北电力大学 常数，常数，时的时的一一.零功率因数特性零功率因数特性，17-2 零功率因数负载特性零功率因数负载特性图17-5 零功率因数负载实验电路 东北电力大学东北电力大学在零功率因数条件下在零功率因数条件下图17-6 零功率因数负载特性分析 东北电力大学东北电力大学 表示空表示空载时产载时产生生额额定定电压电压所需的励磁磁所需的励磁磁动势动势，在零，在零功率因数功率因数负载时负载时，为为保持端保持端电压为额电压为额定定值值，所需励磁磁，所需励磁磁动势动势 应大于应大于 。增加的励磁磁动势有两部分：其。增加的励磁磁动势有两部分：其中一部分中一部分 用以克服电枢漏抗压降用以克服电枢漏抗压降 的作用；另一的作用；另一部分部分 用以抵消电枢等效磁动势用以抵消电枢等效磁动势 的去磁作用。的去磁作用。由于电枢电流的大小和相位不变，三角形由于电枢电流的大小和相位不变，三角形AEF也不变，也不变，称为称为特性三角形特性三角形。由空载特性和零功率因数特性可求得特性三角形，即可由空载特性和零功率因数特性可求得特性三角形，即可得到电枢楼抗压降得到电枢楼抗压降 和电枢反应等效磁动势和电枢反应等效磁动势 。东北电力大学东北电力大学过过 点作气隙点作气隙线线的平行的平行线线，与空与空载载特性交于特性交于E点。从点。从E点作点作铅铅垂垂线线，并交，并交 于于A点，得特性三角形点，得特性三角形 。在零功率因数特性上取在零功率因数特性上取 F点和点和K点点。通。通过过F点作平行点作平行于横坐于横坐标标的水平的水平线线，并截，并截取取线线段段 。2.定子漏抗和电枢等效磁动势的确定定子漏抗和电枢等效磁动势的确定图17-7 用特性曲线求特性三角形 东北电力大学东北电力大学由零功率因数特性所确定的漏抗称为波梯电抗，并用由零功率因数特性所确定的漏抗称为波梯电抗，并用 表示表示 对于隐极电机对于隐极电机对于凸极电机对于凸极电机原因是零功率因数原因是零功率因数时，转子磁路的饱时，转子磁路的饱和程度高，导致特和程度高，导致特性三角形右移。性三角形右移。图17-8 零功率因数负载的漏磁情况 东北电力大学东北电力大学波梯波梯电电抗抗 尽管不是电枢漏抗尽管不是电枢漏抗 ，但在利用磁动势，但在利用磁动势-电电动势统一矢量图计算同步发电机的负载运行时，由于一动势统一矢量图计算同步发电机的负载运行时，由于一般负载都是感性的居多，主磁极铁心都有额外的饱和现般负载都是感性的居多，主磁极铁心都有额外的饱和现象发生，与零功率因数负载试验时类似，因此在这种情象发生，与零功率因数负载试验时类似，因此在这种情况下用波梯电抗况下用波梯电抗 代替电枢漏抗代替电枢漏抗 ，反而会得到更精，反而会得到更精确的结果。确的结果。东北电力大学东北电力大学17-3 同步电机的运行特性同步电机的运行特性一、运行特性一、运行特性 包括包括外特性外特性、调整特性调整特性和和效率特性效率特性。1.外特性外特性n=ns，If=常值时，常值时，cos 常值时常值时 U=f(I)（1）在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的。）在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的。原因：原因：电枢反应的电枢反应的 去磁作用和漏阻抗压降所引起。去磁作用和漏阻抗压降所引起。（2）容性负载时，外特性）容性负载时，外特性有可能有可能上升。上升。外特性上升条件：外特性上升条件：直轴电枢反应的助磁作用能够抵消电直轴电枢反应的助磁作用能够抵消电枢漏抗压降。枢漏抗压降。东北电力大学东北电力大学电压调整率定义：电压调整率定义：E0为保持额定励磁电流和同步转速不变，卸去负载（即空为保持额定励磁电流和同步转速不变，卸去负载（即空载载I=0）时，发电机的空载相电压。）时，发电机的空载相电压。对对凸极同步发电机凸极同步发电机，u最好控制在最好控制在1830%；对隐极对隐极同步发电机同步发电机，由于电枢反应较强，由于电枢反应较强，u最好控制在最好控制在3048%。电压调整率是同步发电机的性能指标之一。电压调整率是同步发电机的性能指标之一。东北电力大学东北电力大学2.调整特性调整特性n=ns，U=UN，cos=常值时，If=f(I)（1）在感性负载和纯电阻负载时，调整特性是上升的。）在感性负载和纯电阻负载时，调整特性是上升的。原因：原因：随电枢电流的增大，电枢去磁和电枢漏抗压降增随电枢电流的增大，电枢去磁和电枢漏抗压降增大，为保证端电压保持为额定值不变，必须提高励磁电大，为保证端电压保持为额定值不变，必须提高励磁电流。流。（2）容性负载时，调节特性有可能下降。）容性负载时，调节特性有可能下降。外特性下降条件：外特性下降条件：内功率因数角超前较大，能够抵消电枢内功率因数角超前较大，能够抵消电枢漏抗压降。漏抗压降。从调整特性可以确定同步发电机的额定励磁电流从调整特性可以确定同步发电机的额定励磁电流IfN。东北电力大学东北电力大学n=ns，U=UN，cosc os N时3.效率特性效率特性f(P2)同步电机的损耗同步电机的损耗 可以分为基本损耗和杂散损耗两部分。基本损耗：基本损耗：基本铁耗基本铁耗pFe电枢基本铜耗电枢基本铜耗pCu,机械损耗机械损耗p 励磁损耗励磁损耗pCuf杂散损耗：杂散损耗：电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过转子表所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过转子表面所引起的表面的损耗等。面所引起的表面的损耗等。东北电力大学东北电力大学现代现代空气冷却的大型水轮发空气冷却的大型水轮发电机电机，额定效率大致在，额定效率大致在9698.5这一范围内；这一范围内；额定效率额定效率亦是同步发电机的性能指标之一。亦是同步发电机的性能指标之一。空冷汽轮发电机空冷汽轮发电机的额定效率的额定效率大致在大致在9497.8这一范这一范围内；围内；氢冷时氢冷时，额定效率约，额定效率约可增高可增高0.8。图17-9 同步发电机的效率特性曲线 东北电力大学东北电力大学二、二、电动势磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率电动势磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率同步发电机的同步发电机的额定励磁电流额定励磁电流和和电压调整率电压调整率既可以用既可以用直接负载直接负载法测定法测定，亦可用考虑饱和时的，亦可用考虑饱和时的电动势磁动势矢量图求出电动势磁动势矢量图求出。已知：已知：发电机的空载特性发电机的空载特性E0=f(If)电枢电阻电枢电阻Ra电枢漏抗（波梯电抗）电枢漏抗（波梯电抗）Xp额定电流时的电枢等效磁动势额定电流时的电枢等效磁动势kaFa电机的额定数据（每相值）电机的额定数据（每相值）就可画出电动势就可画出电动势磁动势矢量图，从而求出额定励磁电流磁动势矢量图，从而求出额定励磁电流和电压调整率。和电压调整率。东北电力大学东北电力大学U1）先求出额定情况下发电机的气隙电动势先求出额定情况下发电机的气隙电动势E；将将电压电压U画在纵轴上画在纵轴上2）在空载曲线上查取产生在空载曲线上查取产生E所需的合成磁动势所需的合成磁动势F；FE图17-10 电动势向量图求气隙合成电动势 东北电力大学东北电力大学3）求出额定励磁磁动势求出额定励磁磁动势UFEF图17-11 磁势-电势向量图求满载励磁电流 东北电力大学东北电力大学5）求出励磁磁动势下的空载电动势求出励磁磁动势下的空载电动势E04）求额定励磁电流求额定励磁电流额定励磁电流除以励磁绕组匝数得额定励磁电流。额定励磁电流除以励磁绕组匝数得额定励磁电流。UFEF图17-12 磁势-电势向量图求励磁电势 东北电力大学东北电力大学UFEF6）计算计算 uu图17-13 磁势-电势向量图电压变化率 东北电力大学东北电力大学从理论上讲，这种用电动势从理论上讲，这种用电动势-磁动势图的方法求额定励磁磁动势图的方法求额定励磁电流和电压调整率仅适应于电流和电压调整率仅适应于隐极同步发电机隐极同步发电机。对凸极同步发电机，若以对凸极同步发电机，若以kadFa代替代替kaFa，所得结果误差所得结果误差很小，因此工程上很小，因此工程上亦用此法确定凸极同步发电机的亦用此法确定凸极同步发电机的IfN和和 u。这一电动势这一电动势-磁动势磁动势通常亦称为波梯图通常亦称为波梯图 东北电力大学东北电力大学发电机的短路特性为一直线，当短路电流等于额定电流时发电机的短路特性为一直线，当短路电流等于额定电流时励磁电流励磁电流Ifk178A。空载特性数据为空载特性数据为:E*00.25 0.45 0.49 1.00 1.14 1.20 1.25If/A45 85 150 205 250 300 350例例 17-2 有一台水轮发电机有一台水轮发电机SN=16667kVA，UN13.8kV（星形联结），星形联结），cos N=0.8(滞后），滞后），nN=100r/min，X*p=0.24，电枢电阻忽略不计。电枢电阻忽略不计。试用波梯图法确定该发电机的额定励磁电流和电压调整率。试用波梯图法确定该发电机的额定励磁电流和电压调整率。东北电力大学东北电力大学1）先画出空载特性曲线先画出空载特性曲线3）取取得 OT43A2）OK=178A4）kadFaOK-OT=178A-43A=135A 5）作电动势作电动势-磁动势磁动势图得图得E=1.16时的合时的合成磁动势成磁动势F=267A6）FfN=384A7）E0=1.2748）u=27.4 东北电力大学东北电力大学 （3）再在定子绕组上施加约为（）再在定子绕组上施加约为（25）UN的三相对称低电压，这一的三相对称低电压，这一电压电压 满足两个条件：满足两个条件：（2）励磁绕组开路；）励磁绕组开路；磁场旋转方向与转子转向一致磁场旋转方向与转子转向一致 磁场不太强，该磁场不会将转子拉磁场不太强，该磁场不会将转子拉入到同步速入到同步速17-4 滑差法和抽转子法测定同步电机参数滑差法和抽转子法测定同步电机参数（1）将被测同步电机用原动机驱动到）将被测同步电机用原动机驱动到接近接近接近接近同步转速同步转速;一、一、转差法测定转差法测定Xd和和Xq图17-14滑差法求参数 东北电力大学东北电力大学因为没有励磁电流，因为没有励磁电流，E0=0电枢磁场同转子转动速度不同电枢磁场同转子转动速度不同,电枢磁动势交替与直、交轴重合电枢磁动势交替与直、交轴重合定子电流最小，定子电流最小，I=Imin电枢电抗最大，电枢电抗最大，Xd，Iq=0电枢磁场同转子直轴重合时电枢磁场同转子直轴重合时线路压降最小，端线路压降最小，端电压最大，电压最大，U=Umax图17-15 磁场通过d轴时的情况 东北电力大学东北电力大学定子电流最大，定子电流最大，I=Imax电枢电抗最小，电枢电抗最小，Xq，Id=0电枢磁场同转子交轴重合时电枢磁场同转子交轴重合时线路压降最大，端线路压降最大，端电压最小，电压最小，U=Umin试验是在低电压下进行的，测出的试验是在低电压下进行的，测出的 Xd和和Xq均不是饱和值。均不是饱和值。图17-16 磁场通过q轴时的情况 东北电力大学东北电力大学 数参数参电机类型电机类型汽轮发电机汽轮发电机凸极同步发电机凸极同步发电机凸极同步电动机凸极同步电动机现代同步电机电抗参数的典型值现代同步电机电抗参数的典型值（不（不饱饱和和值值）东北电力大学东北电力大学二、抽二、抽 转子法测定转子法测定X 现场常利用电机大修抽出转子时，在定子绕组上外加三相对称电源。电源的频率应为额定值，电压应使流入定子电枢电流为额定值，通常为额定电压的1525%。若测出定子线电压U、线电流I和输入功率P，则 定子每相阻抗：定子每相电阻：定子每相电抗：东北电力大学东北电力大学 但测出的电抗xb比定子的实际漏电抗x大，原因是抽出转子后，定子电压产生的磁通有槽漏磁、端部漏磁、谐波漏磁和定子基波磁动势在定子内膛产生的磁通，前三项基本不变，而定子内膛磁通是定子漏磁中没有的，设内膛磁通所对应的等值电抗为，故实际漏电抗为 x=x-xb