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
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。
第603_同步发电机的运行特性解读
6.3.1 同步发电机空载特性
当同步发电机运行于n=n1, If ≠ 0 为空载运行。 即 E0 f (i f ) ,称之空载特性。 Ia=0时，即称
在空载运行状态下，表征E0 与if间的关系曲线，
同步发电机空载特性曲线的测定
同步发电机达到同步转速后，加入励磁电流，改变励 磁电流，空载电势也随之改变。不同励磁电流和产生空载 电势之间的关系， E0 f (i f )
If If0
cos 0.8(滞后)
cos 1.0
在感性负载时，随负载增大， 需增加励磁以抵消电枢反应的 去磁作用
cos 0.8(超前)
在容性负载时，随负载增大，需 减小励磁以平衡电枢反应的助磁 影响
IN
I
6.3.6 同步发电机特性曲线的应用
(i f ) U=f(if ) （cosφ=0） 求取xσ和Fa 1.利用 E0 f 和
UN
2－零功率因 数负载特性
If
在上图中我们可以看出，当U=0时的情况。在空载 特性上， U=0 时，if =0；而在零功率因数曲线上，
U=0 时，if =OC 。为什么在零功率因数曲线上，电压
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，
（2 ） cos 0.8(滞后)
（1）
0
IN
I
当是感性负载时：曲线（2） ，此时随着负载电流的增加， 端电压逐步下降。这是因为考 虑了电枢反应的去磁作用的影 响，随着电枢电流增加，电枢 反应的去磁作用加强，电机中 的合成磁通减弱，所以端电压 逐步下降。
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。
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。
同步电机原理及应用技术第3章 同步发电机的运行特性
3.5 同步发电机的运行特性
同步发电机对称负载下的运行特性曲线是确 定电机主要参数，评价电机性能的基本依据。和 其它电机一样，同步电机在分析中匀惯上也采用
由于在空载特性曲线与零功率因数特性曲线 之间存在着一个不变特性三角形，因此， 前面已介绍过由已知特性三角形和一条特性曲线 （设为空载特性）求另一条特性曲线（设为零功 率因数特性）的方法。现在，如果已知条件下为 两条特性曲线，那么，可不可以由此求出它们之 间的特性三角形呢？答案是肯定的，
凸极同步电机的气隙是不均匀的，同一电枢磁动 势作用在不同气隙位置晨所产生的气隙磁场和每极磁 通量都会不一样。Xia图(b)和(c)表示相同幅值的正 弦波磁动势分别作用于直轴和交轴位置的气隙磁场分 布情况。
3.3 隐极同步发电机的负载运行
同步发电机各物理量正方向的规定如图 3.7所示。图中 、 和 分别表示转子励 磁主 磁通 、定子电枢反应主磁通 及漏磁通 在定 子绕组中感应的励磁电动势，电枢反应电动势 和漏电动势。
短路比是指同步发电机在空载额定电压 所对应的励磁电流 If0下三相稳态短路时的 短路电流 Ik0与额定电流 IN之比，用 Kc表 示。
3.6.5 利用空载特性和零功率因数 特性确定Xd 的饱和值
当电机在额定电压下运行时，磁路处于饱 和状态，要求先由气隙合成磁动势 在空载 特性上得出气隙电动势 后，再根据电动势 平衡方程 绘制相量图。由于同步发电机主 要在额定电压下运行，且在不同负载电流 和不同功率因数时的变化不大。
3.2 同步电机的电枢反应
不失一般性，没电机接三相对称负载，则 在 作用下，定子（电枢）三相对答绕组中会出 现三相对称电流，该电流系统势必要产生一个 与转子同步旋转的圆形旋转磁动势，其基波用 表示，则 与 在空间上相对静止，于是，电机 内的气隙磁场将由 和 共同建立。此时，尽管 转子励磁电流未变，但气隙磁场已完全不同于 空载时的励磁磁场，感应电动势也就不再是负
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试验目的
调节励磁电流使电枢电流 I 从零一直增加到1.2IN左右，
便可以得到短路特性曲线。
图17-2 短路实验电路和短路特性曲线
短路特性曲线是一条直线，因为短路时
U I r jI X jI X E a σ σ
合成电动势较小，此路不饱和。
3. 同步电抗Xd非的计算
U Ir jI X jI X jIX E 0 a d d q q d
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Xd 1. 空载试验 试验条件 试验目的 电枢开路（空载） 用原动机把被试同步电机拖动到同步转速 测得空载特性E0=f（If）
3
1718A
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
6.2 0.0 UL 280 ＝22.4kV，相电动势 77.5 0.0
E0 22400/ 3 12930 V
所以同步电抗为
Xd E 0 12930 Ω 7.528 Ω I 1718
改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0（空载
时U0=E0），直到U0=1.25UN左右，就可以得到空载特 性曲线E0= f（If）。
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 测得短路特性：I=f(If)
一、运行特性 包括外特性、调整特性和效率特性。 1.外特性 n=ns，If=常值时，cos＝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。 原因：电枢反应的 去磁作用和漏阻抗压降所引起。 （2）容性负载时，外特性有可能上升。 外特性上升条件：直轴电枢反应的助磁作用能够抵消电 枢漏抗压降。
k ad Fa AF
由零功率因数特性所确定的漏抗称为波梯电抗，并用X p 表示 对于隐极电机 X p (1.05 ~ 1.1)X σ 对于凸极电机 X p (1.1 ~ 1.3)X σ 原角形右移。
图17-8 零功率因数负载的漏磁情况
E0 Xd I
• 短路试验时磁路不饱和，空载 电动势应在气隙线上查取。
• 所计算的电抗Xd非为不饱和电抗
图17-3 空载和短路特性曲线
二、短路比
短路比是同步发电机的一个重要数据，定义为
Kc I f 0(U U N ) I fk ( I I N )
I I U N I N I N U N Zb X d ( 饱和值 ) 1
10.5 155
12.3 232
13.46 310
14.1 388
短路实验数据
I /A
0.0 0.0
860 140
1718 280
If / A
试求电机的同步电抗和短路比。
解: 从空载特性上查得：线电压U0=10.5/ 3 kV时，If0=155A。 额定电流为 I N
PN 3U N cos N 25000 103 3 10.5 10 0.8
* Xd ( 饱和值 )
短路比大，电机的运行性能 好，但造价较高。
图17-4 利用特性曲线求参数
[例17-1] 有一台25000 kW，10.5kV，Y接，cos=0.85（滞 后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数：
空载试验数据
E0 / kV I f / A 0.0
0.0
6.2 77.5
电压调整率定义：
E 0 UN u ( If UN
IfN )
100%
E0为保持额定励磁电流和同步转速不变，卸去负载（即空 载I=0）时，发电机的空载相电压。 电压调整率是同步发电机的性能指标之一。 对凸极同步发电机，u最好控制在18~30%； 对隐极同步发电机，由于电枢反应较强， u最好控制在 30~48%。
1 1 1.806 K c 0.5536
17-2 零功率因数负载特性
一. 零功率因数特性
cos 0 时的 U f ( I f ) I ＝常数，
，
图17-5 零功率因数负载实验电路
图17-6 零功率因数负载特性分析
在零功率因数条件下
F f F k ad Fa E U IX
波梯电抗 X p尽管不是电枢漏抗 X σ，但在利用磁动势-电 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
和现象发生，与零功率因数负载试验时类似，因此在
Xp 这种情况下用波梯电抗
到更精确的结果。
Xσ 代替电枢漏抗
，反而会得
17-3 同步电机的运行特性
用标幺值计算时
E0*
* d
E 0 22.4 2.133 UN 10.5
I* 1
* E0 2.133 X * 2.133 I 1
由， I f 0 155A，I fk 280A 可求得短路比
Kc If0 I fk 155 0.5536 280
* Xd ( 饱和)
由于电枢电流的大小和相位不变，三角形AEF也不变， 称为特性三角形。
BC 表示空载时产生额定电压所需的励磁磁动势，在零
功率因数负载时，为保持端电压为额定值，所需励磁磁 动势 BF 应大于 BC 。增加的励磁磁动势有两部分：其 中一部分 CA 用以克服电枢漏抗压降 IX 的作用；另一 部分 AF 用以抵消电枢等效磁动势 k ad Fa 的去磁作用。 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 IX 和电枢反应等效磁动势 k ad Fa 。
2. 定子漏抗和电枢等效磁动势的确定
在零功率因数特性上取 F 点和K点。通过F点作平行
于横坐标的水平线，并截
取线段 OF OK 。 过 O 点作气隙线的平行线， 与空载特性交于E点。从E 点作铅垂线，并交 OF 于A 点，得特性三角形 ΔAEF 。
X EA I
图17-7 用特性曲线求特性三角形