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第14章 同步发电机的运行特性.pdf

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第14章 同步发电机的运行特性.pdf

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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 14-1 同步发电机的空载特性、短路特性 和同步电抗的测定 1.同步发电机空载特性曲线的测定 空载特性:在同步转速下,空 E0 载电动势E0与励磁电流if之间的 关系,即E0=f(if)。 空载特性的测定:定子绕组开 路,用原动机把同步发电机拖动 到同步转速,改变励磁电流if , 并记取相应的电枢端电压U0,可 得空载特性曲线。 bo 校正曲线 if 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 U N 不饱和时的励磁电流ifs之比,用kμ 表示,即 kμ = if 0 i fs 一般, kμ =1.1~1.25。 o 同步发电机的标准空载特性 气隙线 空载特性 ifs 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 2.同步发电机的短路特性 短路特性:n=n1,U=0(定子绕组三相短路)时,定子短路 电流Ik 与励磁电流 if 的关系Ik=f(if)。 短路特性分析 −A A Ik 短路 特性 + A A 励磁 电枢 o if 短路特性的测定 ψ U = arctan sin ϕ + IX q = arctan X q ≈ 90° U cosϕ + IR U =0 R R<< Xq 短路运行时,电枢反应为直轴去磁电枢反应。 Fδ = Ff 1 + Fa Fδ = Ff 1 − Fa Eδ = U + I(R + jXs ) U = 0 R  Xs Eδ ≈ jIk X s Eδ 很小 Φδ 很小 Fδ ∝ Eδ ∝ I k 磁路不饱和 Fa Ff 1 E 0 Eδ jIkXs Fδ Ik Fa ∝ Ik Ff 1 = Fδ + Fa ∝ Ik Ff 1 ∝ if Ik ∝ if 即短路特性曲线是一条过原点的直线。 3.同步发电机的同步电抗和短路比 1)隐极同步发电机 E0 三相短路时,有 E0 = Ik (R + jX c ) ≈ jIk X c E0 气隙线 空载 特性 短路 特性 同步电抗 Ik X c(不饱和值) = E0 Ik X c(不饱和值) = INφ X c U Nφ = I Nφ ⋅ E0 Ik U Nφ o if = E0 U Nφ = E0 Ik INφ Ik if 2)凸极同步发电机 三相短路时,如果忽略电枢电阻 R,则ψ=90°,即 Id = Ik , Iq = 0 E0 = jId X d + jIq X q = jIk X d Ff 1 E 0 jIk X d Fad Fδ Ik 直轴同步电抗 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,cosϕN=0.8 (滞后) ,空载、短路试验数据如下: (1)空载特性 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 解:取励磁电流if=250A时,由气隙线可查得励磁电动势 E0 = 250 103 × 3460 = 8398(V ) 由短路特性可查得,当if=250A时,短路电流 I k = 900 A Xd 的不饱和值 Xd = E0φ I kφ = 8398 = 5.387(Ω) 3 × 900 3)短路比 短路比:同步发电机在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IkN与额定电流IN之比, 用Kc表示, Kc = I kN IN E0 气隙线 Ek 空载 特性 Kc = IkN = IN if 0 i fk = if 0 i fs i fs i fk UN IN 短路 特性 I kN = kμ UN Ek = kμ UN IN X d = kμ 1 Xd o ifs if 0 ifk if 产生额定短路 电流的励磁电流 Kc = kμ 1 Xd 短路比Kc对同步电机性能和成本的影响: 当Kc大时,Xd小 △U小,并联运行时稳定性好; 气隙大,造价高,经济性差。 当Kc小时,Xd大 △U大,并联运行时稳定性差; 气隙小,造价低,经济性好。 14-2 同步发电机零功率因数 负载特性及定子漏电抗的测定 负载特性:当n=n1,cosϕ =常数且I=常数时,U=f(if)。 1.零功率因数负载特性 零功率因数负载特性:当n=n1,cosϕ=0且I=常数时,U=f(if)。 −A A V + A 励磁 A 电枢 纯感性负载 零功率因数负载特性的测定 cosϕ = 0 ψ U sinϕ = arctan + IXq ≈ 90° U cosϕ + IR E0 E0 U Eδ jIXs U Eδ ql U F Fa = Fad 纯去磁作用 空载特性 k m IX s kad Fad 零功率 n 因数特性 Fad Fδ o F f 1 I Fδ = Ff 1 + Fad Fδ = Ff 1 − Fad Eδ = U + IR + jIXs Eδ ≈U + IXs Ff Ff ,if mn: 补 偿 电 枢 反 应 去 磁 磁 动 势 所需增加的励磁磁动势; lm: 补 偿 漏 电 抗 压 降 作 用 所 需 增加的磁动势。 特性三角形Δkmn mn = kad Fad ∝ I km = IX s ∝ I I不变时,Δkmn 不变 E0 U Eδ q U F 空载特性 k l m IX s kad Fad 零功率 n 因数特性 om Ff Ff ,if 结论:在零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个特性 三角形Δkmn,其垂直边为定子漏电抗压降,其水平边为与电 枢反应等效的励磁磁动势。 2.由空载和零功率因数特性测定定子漏电抗 作图法求定子漏电抗Xs: 1在零功率因数负载特性上 任取一点n′(一般取额定电 压点),作 o′n′ = o;n 2过o′作气隙线的平行线, E0 U 气隙线 空载特性 k′ o′ m′ 零功率 n′ 因数特性 交空载特性于k′点; k 3连接k′n′,过 k′点作o′n′的 垂线,交o′n′于m′点,得特 o m n Ff ,if 性三角形Δ k′m′n′ ; 4 k′m′ = Iφ X s 。 定子漏电抗 Xs = k ′m′代表的相电势 Iφ 3.普梯尔电抗 E0 U 由零功率因数负载试验测得 的电抗称为普梯尔电抗Xp。 X p = k ′′m′′代表的相电势 Iφ Xp > Xs o 气隙线 k ′ k ′′ 空载特性 理论曲线 o′o′′m′ m′′ n′n′′ 试验曲线 零功率 因数特性 n Ff ,if kad Fad 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,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:n=n1,if =常数且cosϕ=常数时,U=f(I)。 •感性负载或纯电阻性负载时,外 U 特性是一条向下倾斜的曲线; •在容性负载且ψ<0时,外特性是 UN 一条上翘的曲线。 cosϕ=0.8 cosϕ=1 cos(−ϕ)=0.8 影响外特性曲线的因素: 1电枢反应;2漏阻抗压降。 O IN I Fδ = Ff 1 + Fa Eδ = U + IR + jIX s •感性负载或纯电阻性负载时,电枢 反应起去磁作用。 当n=n1,if =常数且cosϕ=常数时, E 0 jIX a Eδ jIX s IR U θ I cosϕ=0.8 ϕ if 不变 Ff1 不变 I  Fa,电枢反应 的去磁作用增强 Fδ  Eδ  U IZs •容性负载且ψ<0时,电枢反应起助磁作用。 当n=n1,if =常数且cosϕ=常数时, jIX s IR jIX a E 0 Eδ U if 不变 Ff1 不变 I  Fa,电枢反应 的助磁作用增强 Fδ  Eδ  IZs θ U I ϕ cos(−ϕ)=0.8 2)电压调整率:保持额定运行 U 时的励磁电流ifN和转速nN不变,对 应的发电机空载电动势E0和额定电 UN 压UN之差与额定电压的比值,即 if = ifN,cosϕ= cosϕN ΔU = E0 −U N ×100% UN O IN I 2.同步发电机的调整特性 if 调整特性:当n=n1,U=常数且 cosϕ=常数时,if =f(I)。 •感性负载或纯电阻性负载: I ↑⇒If ↑ •容性负载:I ↑⇒If ↓ o cosϕ=0.8 cosϕ=1 cos(−ϕ )=0.8 I •根据调整特性确定额定励磁电流IfN:对应额定电压、额 定电流和额定功率因数时的励磁电流。 14-4 转差法和取出转子法求参数 1.用转差法测同步电机的同步电抗 交 降 A 流 压 电 源 变 V n1 n 压 器 1)方法:由原动机将凸极同步电机拖动至接近同步转速 (s<1%),转子励磁绕组开路,在定子端子上外施额定频 率的相序与在转子转向一致的对称三相低电压,测量定子电 压U 、定子电流I 。 2)原理: if = 0,E0 = 0 R≈0 U ≈ − jId X d − jIq X q •电枢磁场轴线与转子直轴重合 I = Id,Iq = 0 U ≈ − jId X d 此时同步电抗最大为Xd ,有 I = Id = Imin U = Umax 直轴同步电抗 Xd = Umax Imin d轴 2ULmax 2 I L min q轴 2ULmin d轴 U 2I L max I 转差试验时的电枢端电压和 电枢电流波形 •电枢磁场轴线与转子交轴重合 I = Iq,Id = 0 U ≈ − jIq X q 此时同步电抗最小为Xq,有 I = Iq = Imax U = Umin d轴 2ULmax 2 I L min q轴 2ULmin d轴 U 2I L max I 交轴同步电抗 Xq = U min I max 转差试验时的电枢端电压和 电枢电流波形 注意:由于外加电压U 很低,磁路不饱和,所以转差法测得 的Xd、Xq均为不饱和值。 2.取出转子法测漏电抗 1)方法:试验接线同转差法,取出同步电机的转子,定 子绕组外施三相对称低电压(U=6%∼15%UN),控制电枢 电流不超过额定值,测量电枢电压U、电枢电流I和输入功率 P(均为一相数值)。 •每相阻抗 •每相电阻 Z =U I R= P I2 •每相电抗 X = Z2 − R2 2)原理: Eδ = E0 + Ea ≈ 0 U + I( R + jXs ) ≈ 0 R + jX s = − U I 特点:实测值大于实际值—电抗中包含没有转子情况下的 电枢反应电抗Xt。 可采用计算法或探测线圈法求出Xt,则 Xs = X − Xt 小结 1.同步发电机的基本特性 (1)空载特性:当n=n1,I=0时,E0=f(if)。 (2) 短路特性:当n=n1,U=0时,Ik =f(if)。 (3)零功率因数负载特性:当n=n1,cosϕ=0且I=常数时, U=f(if)。 2. 同步电抗的测定 利用同步发电机的空载特性和短路特性可以测量同步发电机 的同步电抗(直轴同步电抗)的不饱和值。 X c(不饱和值) = E0 Ik X d (不饱和值) = E0 Ik 3.普梯尔电抗的测定 利用同步发电机的空载特性和零功率因数负载特性的试验曲 线可以测量同步发电机的普梯尔电抗。 X p = km代 表 的 相 电 势 Iφ 式中 km :普梯尔三角形Δkmn垂直边的长度。 4.转差法求参数 利用转差法可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗 和交轴同步电抗。 Xd = U max I min Xq = U min I max 5.同步发电机的外特性和调整特性 1)外特性:当n=n1,if =常数且cosϕ=常数时,U=f(I)。 电压调整率 ΔU = E0 − U N ×100% UN 2)调整特性:当n=n1, U=常数且cosϕ=常数时,if=f(I)。

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