专项 电力工程 教程 PPT--电机 同步机 22章 特性

第五篇 同步机
第22章 同步发电机特性 22.1 基本特性 22.2 参数测定 22.3 运行特性
华南理工大学 电力学院 程小华
22.1 同步发电机的 基本特性
22.1.1 空载特性 22.1.2 短路特性 22.1.3 零功率因数负载特性（零功因负载特
性）
22.1.1 同步发电机的 空载特性
1 定义-------机端转速为同步速、强电端电流 为零时，励磁电势与励磁电流之间的关系：
Step2 过F作水平线， 截取FO’=KO。
Step3 过O’作气隙线 的平行线，交空载 特性于E点。
Step4 过E作铅垂线， 交水平线于A点。 则ΔAEF为特性三 角形。
22.2.4 漏抗的测定----利用空载特性、 零功因特性
Step5 看特性三角形
22.2.5 坡梯(Potier)电抗
3 特性图-------零功因负载特性：先 直后弯离原点
3 确定额定电流时零功因特性 的两个关键点：额定点F、 短路点K
当电机较大，无法用电抗器试验时，可以将电机 并联运行于U=UN的电网上。调节发电机的有 功功率到零，调节发电机的励磁电流，使它 发出的无功电流达到IN。这样即得到零功率 因数负载特性上U=UN的额定点F 。 再作电 机的稳态短路试验，测出I=IN所对应的励磁电 流IfK，则If=IfK、U=0为零功率因数负载特性上 的短路点K 。实用中有这两点就够了。
1 外特性定义------机端转速不变 （为同步速）、励磁电流不变、 负载功因不变时，端电压与端 电流之间的关系，即：
2 外特性图象及其解释
感性负载和纯电 阻负载时，外特性 是下降的，这是由 于电枢反应的去磁 作用和漏阻抗压降 所引起；容性负载 且内功率因数角达 到超前时，由于电 枢反应的增磁作用 和容性电流的漏抗 电压上升，外特性 亦可能是上升的。
正常运行时，同步电机的端电压变 化不大，所以通常用对应于额 定电压时的Xd值作为其饱和值。
据此，从空载曲线上查出“空载额定电压 所需励磁电流”If0，再从短路特性上
查出与If0对应的短路电流I’ 。这样即
可求出Xd的饱和值，如图所示：
22.2.2 短路比 1 短路比定义1（本来意义）：
在空载额定电压所需励磁 电流If0下短路的短路电流I’ 与额定电流之比，即：
4 作图法：确定额定电流时零 功因特性
已知：发电机的空载特性、电枢漏抗和电枢反应
等效磁势
求：额定电流时的零功因特性
解：
1）磁势关系：忽略电枢电阻，内功因角等于
90°。电枢反应有纯去磁性。于是磁势合成
运算变为代数运算：Ff = F + kadFa 见下页相 量图
2) 电压关系：相应地，电压合成运算亦变为代数
3 从外特性求电压调整率Step1
Step1 调节发电机 的励磁电流， 使端电压、端 电流、功率因 数均为额定值， 如图中A点所 示。此时的励 磁电流称为发 电机的额定励 磁电流，记为 I fN。
3 从外特性求电压调整率Step2
Step2 保持I fN、同 步速，卸去负 载，使I=0，如 图中B点所示。 此时端电压增 量与额定电压 之比的百分值 称为同步发电 机的电压调整 率。记为Δu。
2 短路比定义2（转变意义）： 空载额定电压所需励磁电 流If0与短路额定电流所需 励磁电流Ifk之比，即：
3 短路比两个定义的一致性：图 中ΔOAB∽ΔOCD。由对应边 成比例即知两个定义一致。
4 短路比等于饱和直轴同步 电抗的倒数
证明如下：
5 短路比大小对电机性能的影响
首先，建立“电枢反应强弱”的概 念：称单位电枢电流所生电枢反 应磁通大者为电枢反应强，反之 为弱。
2 图形-------先直后弯过原点 3 本质-------空载特性的本质是磁化特性。
22.1.2 同步发电机的 短路特性
2 定义-------机端转速为同步速、强电端电压 为零时，电枢电流与励磁电流之间的关系：
2 短路特性 接线图
3 特性图-------短路特性是直线
4 短路特性为什么是直线？
为了加以区别，通常把由零功因特性和空 载特性所确定的漏抗称为坡梯 （Potier）电抗，并用Xp表示。
22.3 同步发电机的 运行特性
22.3.1 外特性 22.3.2 调整特性 22.3.3 效率特性 22.3.4 用时空矢量图求取额定励磁电流和电
压调整率-------不要求。
22.3.1 外特性
22.2 同步发电机的 参数测定
22.2.1 Xd的测定----利用空载特性、短路特性 22.2.2 短路比 22.2.3 转差法测定Xd、 Xq-----不要求。 22.2.4 漏抗的测定----利用空载特性、零功因
特性 22.2.5 坡梯(Potier)电抗
22.2.1 Xd的测定----利用空载 特性、短路特性
22.3.3 效率特性
1 效率特性定义------机端转速不变（为 同步速）、端电压为额定电压、功 率因数为额定功率因数时，发电机 的效率与输出功率的关系，即 ：
2 效率特性的图象
左图是国产300MW双水 内冷水轮发电机的 效率曲线特性。
大型发电机的效率一般 在95%以上。
22.3.4 用时空矢量图求取额定励 磁电流和电压调整率
不要求。
The End
所以，隐极机的电压调整率较大，凸极机 的电压调整率较小。
22.3.2 调整特性
1 调整特性定义------机端转速不变（为 同步速）、端电压为额定电压，负 载功率因数保持不变时，励磁电流 与电枢电流之间的关系，即 ：
2 调整特性图象及其解释
感性负载和纯电阻负载时， 随着电枢电流的增加， 为补偿由此产生的去磁 性电枢反应和漏阻抗压 降，以维持端电压为额 定电压，必须相应地增 加励磁电流，故此时的 调整特性是上升的。在 容性负载时，电枢反应 可能是助磁的，故调整 特性亦可能是下降的。
其次，“电枢反应强弱”与气隙的 大小有关。气隙大的电机，磁阻 大，单位电枢电流所生电枢反应 磁通小，电枢反应弱；反之，气 隙小的电机，磁阻小，单位电枢 电流所生电枢反应磁通大，电枢 反应强。
下面，讨论短路比大小对电机性能 的影响。
短路比大，饱和同步电抗小，电枢 反应弱，从空载到负载时电枢的 端电压变化小，即电压变化率小。 此时电机的气隙大，建立一定的 主极磁通所需励磁安匝多，转子 用铜量大，电机造价贵，成本高。
答：1）短路电流接近纯感性。
短路时，U=0，限制短路电 流的仅仅是电机本身阻抗。 电枢电阻远小于同步电抗。
2）气隙磁势F与气隙电势E成正比。 理由：电枢磁势接近纯去磁，致气
隙磁势F很小，磁路不饱和，磁 化特性处于气隙线段。 3）气隙电势E与电枢电流I 成正比。
4）气隙磁势F与电枢电流I成正比。 理由：综合2）、3）即知。
4 隐极机、凸极机电压调整率的比较
从感性负载到空载，端电压之所以升高， 是因为去掉了感性负载的去磁电枢反 应。显然，电枢反应越强，端电压的 变化越大。讲短路比时，讨论过电枢 反应强弱的概念，结论是：气隙小的 电枢反应强，气隙da的电枢反应弱。
现在，隐极机的气隙比凸极机的小。故隐 极机的电枢反应较强，凸极机的电枢 反应较弱。
短路比小，饱和同步电抗大，电枢 反应强，从空载到负载时电枢的 端电压变化大，即电压变化率大。 此时电机的气隙小，建立一定的 主极磁通所需励磁安匝少，转子 用铜量小，电机造价贱，成本低。
22.2.3 转差法测定Xd、 Xq 不要求。
22.2.4 漏抗的测定----利用空载特性、 零功因特性
Step1 在零功因特性 上取两点：额定点 F、短路点K。
5）励磁磁势Ff与电枢电流I成 正比。
理由：气隙磁势 F = Ff - kaFa 故励磁磁势 Ff = F + kaFa
由4）知F∝I。而Fa ∝I。故 Ff ∝I。 6) 电枢电流正比于励磁电流。
理由：If∝ Ff ；而由5）知 Ff ∝I。故If ∝I，即I ∝ If 。 答毕。
5 三相稳态短路有没有危险？ 为什么？
研究表明，零功率因数负载时，为了补偿 电枢直轴去磁磁动势而增加主极磁动 势的同时，转子的漏磁将随之增加， 使得转子磁路的饱和程度增加、磁阻 变大，因而需要额外再增加一些主极 磁动势。这样一来，零功因特性的实 测曲线比理想曲线要低。
因此，用实测的零功因特性和空载特性所 确定的漏抗将比实际的电枢漏抗略大。
答：没有危险。
因为三相稳态短路时，气隙磁 势很小，致使气隙电势很小， 短路电流不致过大。所以， 三相稳态短路时没有危险。
22.1.3 同步发电机的 零功率因数负载特性
1 定义-------机端转速为同步速、强电端电流 不变、功率因数为零时，端电压与励磁电 流之间的关系，即：
2 零功因特性 接线图
运算：E=U+IXσ
见下页相量图3）磁势关Βιβλιοθήκη 、电压关系的图解：见 上页特性图。
BC代表空载时产生额定电压所需的励 磁电流。
BF代表零功因负载时产生额定电压所 需的励磁电流。
AF代表电枢等效磁动势kadFa的去磁 作用。
EA代表漏抗压降IXσ 。 CA代表产生漏抗压降IXσ所需的磁势。 4）特性三角形：直角三角形ΔEAF称
1 Xd时的，不我饱们和有值：：短路且不计电枢电阻
对Xd=E0/I的解读：I是短路电流。 据I从短路特性上找到If ； 据If从空载特性上找到E0 。
2 Xd的饱和值-----与主磁路的饱 和情况有关。主磁路的饱和程 度又取决于作用于主磁路上的 合成磁势，从而取决于相应的 气隙电势。如果不计漏阻抗压 降，则可近似地认为取决于电 枢端电压。
为特性三角形。其纵边为漏抗压
5）特性三角形的不变性：零功率因 数特性是在电枢电流保持不变的 条件下作出的， 因此IXσ和kadFa均 保持不变。从而，特性三角形的 大小亦不变。