电机学 第14章 同步发电机的运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性一、基本工作原理及结构同步发电机是利用电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。
所谓电磁感应就是导体切割磁力线的能产生感应电势，将导体连接成闭合回路，就有电流通过的现象。
导体镶嵌在铁芯的槽里，铁芯是固定不动的称为定于（静子）。
磁极是转动的，称为转子。
它是由励磁绕组和铁芯组成的。
励磁绕组通过滑环与外部励磁回路相连，定子和转子是发电机的基本组成部分。
那么，三相交流电是如何产生的呢？直流电通入转子绕组后，就产生了稳恒的磁场，沿定于铁芯内圆，每相隔120度，分别安放三相绕组A－X、B－Y、C－Z。
当转子被汽轮机拖动以3000r/min旋转时，定子绕组便切割磁力线，产生感应电势，感应电势的方向可由右手定则来确定。
由于转子产生的磁场是旋转磁场，所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化，在其中感应的电势方向就不断变化，因而形成交变电势即交流电势。
交流电势的额定频率为f，它决定于发电机的极对数P和转速n，其计算公式为:f=np/60HZ，我国规定交流电的频率为50HZ。
即：p=1，n=3000r/min交流电势的相位关系：转子以3000r/min的转速不停地旋转A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°相序为A－B－C。
何为同步呢？当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，交流磁场与转子同速度，同方向旋转，这就是同步。
二、同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。
其中，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员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。
而空载特性、短路特性、负载特性则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。
1、外特性所谓外特性，就是励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负荷变化时发电机端电压U的变化曲线。
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
第1页，共40页。
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
第2页，共40页。
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。
第24页，共40页。
14-3 同步发电机的外特性和调整特性
6.3_同步发电机的运行特性
同步发电机的运行特性
转速恒定、负载功率因数不变三个主要变量：
定子端电压、负载电流、 励磁电流之中保持一
个量为常数，求其它两个量之间的函数关系是
运行特性。
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, if＝f(I)
900,电枢磁势基 本上为纯直轴去磁， Fa=Fad,Faq=0.
U I R jI X jI X E K a k k
F’ =Ff –Fad ’（数值上）
又因磁路不饱和，F’ IK 故：有Ff IK 即If IK
.
Fad ’ IK
短路特性为一条过原点的直线。
6.3.1 同步发电机的运行特性
1、空载特性
n=n1，改变If，空载电势E0改变。 （1）、 励磁电流：0 （2）、 励磁电流：最大值 最大值 零
由于铁磁材料磁滞效应, 上升和下降空载电 势略有不同，一般取下降的空载特性曲线。
U0=E0
2 1
If
if0
图6.28 空载特性的实验测定及校正
E0' =f (Ff )
横边长为Ifad=Ifa，称为短路三角形。随电压升高，
纵边逐渐增长，横边逐渐变小，对应于U=UN时所
得特性三角形纵边长为IXp，称保梯三角形。 凸极机：
Xp=(1.05~1.1)X
隐极机：
Xp=(1.1~1.3)X
同步发电机运行特性及应用
E U △U U
0 N
N
100 %
二、调整特性 发电机在n=nN,U=UN,cosФ =常数时, If=f(I)曲线。
E0 Ф0
2
h
UN
a
b
c
1
E
' 0
Fδ
O
g
Ff0 d
If Ff
图17-1 同步发电机的空载特性
二、短路特性
1、定义：当同步发电机运行于n=nN，U=0，
即电枢三相绕组持续稳定短路时，测得短路 电流Ik随励磁电流If变化的关系曲线Ik=f(If)， 称为短路特性。
2、曲线：短路特性是一条直线，如图17-1(a)
≈
AB I
N
"ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
"
三、用转差法求稳态xd和xq不饱和值
1、转差实验：将同步电机转子拖到接近同步转速(转差率小 于0.01),转子励磁绕组开路（If=0）,然后在定子绕组加额定 频率的三相对称低电压,其值为(0.05 ～ 0.15)UN,使其产生的旋 转磁场,转向与转子转向一致,并保持转子不被牵如同步。
n n1 U 0 I k f ( I f )
n n1 I I N
If C
3、零功率因数负载特性：
cos C U f ( I f )
U f (I )
4、外特性：
n n1
cos C
5、调整特性： n n1
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。
电机学同步电机部分知识点总结
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
电机学—同步电机的基本运行特性
➢ 空载时，
负载 I 增加， Fa´增加， 要保持 U＝U Nφ，必须增加 If
△AEF称为特性三角形，其中：
AE IX σ
AF If为等效励磁电流
➢ I 不变，
特性三角形不变
四、外特性及电压调整率
n=nN、If=常数、cos =常数时， U= f (I) 的关系曲线称为外特性。 电流 I 引起电压 U 变化的原因： 定子漏阻抗压降影响
六、 Xd、Xq 的低转差测试法
1）方法：将被测试同步发电机拖动到接近同步转速（转差率小于0.01
），将励磁绕组开路，在定子侧加额定频率的相序与转子转向一致的 三相对成低电压（0.02UN），测量定子电压、电流与励磁绕组电压。
2）原理：在If＝0时，E0=0 Ra≈0
电枢磁场轴线与
转子直轴重合 Iq＝0, Id＝ I
n≠n1
电枢磁场轴线与
转子交轴重合 Id＝0, Iq＝ I
不同时刻，Xd > Xq,
Id < Iq
Hale Waihona Puke 因为此时外加电压U 很小，磁路不饱和， 此法测得的Xd、Xq为不饱和值。
（不饱和值）
在图中，由任意Ifk
3. 短路比
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Ik0与额定电流IN之比。
➢ Kc是同步发电机一个重要的性能、经济指标
△U大，稳定性差
当Kc小时，ku小，Xd大
气隙小，造价低，经济性好
当气隙增加，Xd减小，Kc增加,电机性能变好，造价增高
B
率因素曲线于A'，取A'O'=AO
3）过O'作OB的平行线O'B'，
三角形A' B' C'为所求的特性三角形。
上海交大电机学实验+同步发电机运行特性
电机学实验报告实验四同步发电机运行特性一、实验目的1．掌握用实验方法测取三相同步发电机对称运行特性的方法；2．掌握用实验数据获取同步发电机稳态参数的方法。
二、实验内容1．测取发电机的空载特性；2．测取发电机的短路特性；3．测取额定电流条件下发电机的零功率因数负载特性。
三、实验接线图测取三相同步发电机对称运行特性的实验线路图如图4-1所示。
其中发电机G的转子与直流电动机M的转子机械连接，转子励磁绕组接励磁电源，电枢绕组为Y形连接。
图4-1 三相同步发电机运行特性接线图实验过程中，测定三相同步发电机空载特性的时候，将开关S2打开，这样同步发电机处于空载状态。
测定三相同步发电机短路特性的时候，将开关S2的右侧的三个端口短接，这样同步发电机处于短路运行状态。
测定额定电流条件下三相同步发电机零功率因数负载特性的时候，将开关S2闭合，X L 为一个三相饱和电抗器，忽略电阻，则它的功率因数为零，这样来测定零功率因数负载特性。
四、实验设备1．G同步发电机P N=2kW、U N=400V、I N=3.6A、n N=1500r/min；2．M直流电动机P N=2.2kW、U N=220V、I N=12.4A、U fN=220V、n N=1500r/min；3．变阻器R1：0/204Ω、0/17A，励磁变阻器R f1：0/500Ω、1A；4．X L三相饱和电抗器；5．直流电流表30A(电枢)；6．直流电流表4A(励磁)；7．直流电压表400V；8．交流电压表500V；9．交流电流表10A；10．功率表500V 10A。
五、实验数据1．测定发电机的空载特性：0AB AB CA2．测定发电机的短路特性：表4-2 发电机的短路特性实验数据n=nk A B C3．测定发电机的零功率因数负载特性：表4-3 发电机的零功率因数负载特性实验数据n=nAB AB CA六、特性曲线、参数计算及问题分析1．根据实验数据作出同步发电机的空载运行特性曲线U0=f(I f)，如下图4-2所示：图4-2 发电机空载运行特性曲线2．根据实验数据作出同步发电机的短路运行特性曲线I k=f(I f)，如下图4-3所示：图4-3 发电机短路运行特性曲线3．根据实验数据作出同步发电机的零功率因数负载特性曲线U=f(I f)，如下图4-4所示图4-4 发电机零功率因数负载特性曲线4．利用空载特性和短路特性确定同步电机的直轴同步电抗X d（不饱和值）以及短路比：计算直轴同步电抗X d需要在取同一个I f值的情况下，计算空载电压U0和短路电流I k 的比值。
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k
l2
o m m
n
n n 零功率因数
负载特性
k
l3
m
o
m
n
Ff , i f
零功率因数负载时，当U不同时，E的大小也不同，发电 机主磁路的饱和程度有所不同。 在零功率因数特性曲线上向上平移 kmn的顶点 n到额定电 压UN时，将得到kmn，并且 on on， ok //ok。
F F a ad
E 0
F F F f1 ad
F Ff 1 Fad
U IR jIX E s
E
jIX s
U
E U IX s
F f1
F F ad
90
I
1）电磁关系
E 0
E0 U
所需增加的励磁磁动势。
2）零功率因数负载特性与空载特性之间的关系
直角三角形kmn：
E0 U
空载特性
km IX s I mn kad Fad I
I不变时，kmn 不变
E
k
q
U
m IX s kad Fad Ff kad Fad
l
n 零功率因数
负载特性
0
h
Ff
Ff , i f
试验曲线 零功率因数 负载特性
X p Xs
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，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。
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
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
E0 I k
8398 E0 5.387() 3I k 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
I kN Kc IN
直轴同步电抗
F f1
I k
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 103 200 272 360 464
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
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。
零功率因数负载试验接线图
1.零功率因数负载特性E0 UFra bibliotek空载特性
零功率因数 负载特性
0
Ff , i f
零功率因数负载特性曲线和空载特性曲线形状相似。
1）电磁关系
cos 0
arctan
U sin IX q U cos IR
90
忽略电枢绕组电阻，则电枢反应性质为直轴去磁。
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
同步发电机三相对称短路时， 磁路不饱和，有
E0
E0
气隙线
空载 特性
I ( R jX ) jI E 0 k c k Xc
同步电抗
短路 特性
X c (不饱和值 )
E0 Ik
Ik
X c (不饱和值 )
X c E0 I N E0 ZN I k U N I k
s
0 U
短路时电机磁路不饱和，F E
Ik
E 0
电枢磁动势正比于电枢电流，Fa
Ik
Ff 1 F Fa Ik
Ff 1 i f
Ik i f
E
F a
F
即短路特性曲线是一条过原点 的直线。
F f1
jIk X s
I k
3.同步发电机的同步电抗和短路比
2.由空载特性和零功率因数负载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 E0 U 任取一点 n （一般取额定电 压点），过 n 点作平行于横 坐标的水平线，并截取线段 on on ； 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 ； k m IX s 。
短路 特性
A
A
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
以凸极同步发电机为例来分析短路特性。
arctan
U sin IX q U cos IR
U 0
arctan
Xq R
R X q
90
E 0
•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。
外特性：当n=n1，if =常数且cos=常数时，U=f(I)。 负载性质不同，外特性不同： •在感性负载或纯电阻性负载时， 外特性是一条向下倾斜的曲线； •在容性负载时，外特性有可能是 一条上翘的曲线。 影响电枢端电压的因素：
结论：零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个直 角三角形kmn，其垂直边km代表定子漏电抗压降，其水平 边mn代表与直轴去磁电枢反应磁动势等效的励磁磁动势。
2）零功率因数负载特性与空载特性之间的关系
I一定时，kmn 固定。
E0 U
l1
气隙线
空载特性
k k
UN
使 kmn 的底边保持水平， 将kmn的顶点k沿空载特性 曲线移动，顶点 n 的轨迹即 为零功率因数负载特性。
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：
（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)
F F F f1 a
F Ff 1 Fa
F a
F
•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 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。
I k
F f1
2）短路特性分析
jI X U I ( R jX ) E E k s s R X
空载特性
E
jIX s
E
k
q
U
U
m IX s kad Fad Ff kad Fad
l
n 零功率因数
负载特性
F F ad
F f1
I
0
h
Ff
需增加的励磁磁动势；
Ff , i f
F Ff 1 Fad
E U IX s
mn：抵消电枢反应去磁作用所
lm：克服电枢漏电抗压降作用
E0 / V
3460
6300
7250
7870
8370
（2）短路特性
if /A
Ik /A
50
180
100
360
150
540
200
720
250
900
试求Xd 的不饱和值。
if /A E0 / V
103 3460
200 6300
272 7250
360 7870
464 8370
if /A Ik /A
50 180
1.5 1.21
2.0 1.33
2.5 1.40
3.0 1.46
3.5 1.51
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
1 Kc k Xd
短路比Kc对同步电机性能和造价的影响： Kc大，意味着Xd小， •短路电流大，但负载变化时发电机端电压变化小，并联运 行时静态稳定性好。 •气隙大，电机尺寸大，励磁磁动势也增大，转子用铜量增 加，电机造价高。 Kc小，意味着Xd大，
•短路电流小，但负载变化时发电机端电压变化大，并联运 行时静态稳定性较差。
100 360
150 540
200 720
250 900
解：当励磁电流if =250A时，由气隙线可查得空载线电动势为
if 250 3460 8398(V) E0 E0 103 if
由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为