网站标志
同步发电机的运行特性和参数测定
www.tengyuandjp.com    2019-02-25 18:35:08    文字:【】【】【
同步发电机的运行特性包括空载特性、短路特性、外特性、调整特性和效率特性。通过这些特性可以求出电机的主要参数和电压调整率、额定励磁电流、额定效率等有关的技术性能数据。和在变压器、异步电机中一样,同步电机的各物理量一般常用标么值表示,各量的基值(用下标b表示)规定如下
1.容量基值Pb=SN=mUNΦINΦVA或kVA
2.相电压基值Ub=UNΦ(额定相电压)V或kV
3.相电流基值Ib=INΦ(额定相电流)A
4.阻抗基值Zb=ZN=UNΦ/INΦ(Ω)
5.转子角速度基值Ωb=ΩN=2πnN/60(rad/s)(式中nN的单位为r/min)
6.励磁电流的基值Ifb根据运行情况而定。对应稳态对称运行,定、转子电路互相独立,它们的电流基值间没有变压器中那样的约束关系,可根据应用方便来选取,实用上常取E=UNM时的励磁电流值If0作为基值。

1.同步发电机的运行特性

(1)空载特性


图6-24 空载特性及其校正
空载特性本质上就是电机的磁化曲线,它既可用实验测出也可用磁路计算得到。用实验测取空载特性时,由于磁滞现象,上升和下降的磁化曲线不相重合。一般规定采用空载电压U≈1.3UN开始到If=0为止的下降曲线并做成适当修正。由图6-24可见,当If=0时,有剩磁电动势。这时应延长空载特性与横轴相交,将交点的横坐标绝对值ΔIf0作为校正量,加在测得的空载特性每一点的横坐标上,即可得出另一条通过原点的校正曲线,得到电机实用的空载特性。
在进行空载实验时,测出的原动机拖动同步发电机所耗的功率,即为发电机的空载损耗p。同步发电机的空载损耗中主要包含机械损耗pmec和由主极磁场切割定子铁芯产生的定子铁耗pFe。由于电机转速保持为同步转速,机械损耗恒定不变,只有定子铁耗随着空载电压(正比于主磁通)的变化而变化。在实验中,先记录发电机未加励磁时拖动发电机所需的功率,即为被试发电机的机械损耗。再从不同励磁时拖动发电机所需的功率中扣除此项机械损耗,即可算出定子铁耗,其中对应E=UN时的铁耗值即可作为电机额定运行时的定子铁耗值。
(2)短路特性
短路特性是发电机在同步转速下,电枢出线端三相稳态短路时,电枢电流(短路电流)Ik与励磁电流If的关系曲线。如图6-25(a)所示,图6-25(b)为三相稳态短路时的同步发电机的矢量图。

图6-25 稳态短路的分析
因为U=0,此时限制短路电流的仅仅是电机的同步阻抗,其中电枢电阻值远小于同步电抗可以忽略,故短路电流滞后于励磁电动势为90°,即[图片]≈90°;于是电枢电流全部为直轴电流,电枢磁动势为一纯去磁的直轴磁动势,即Fa=Fad。此时各磁动势矢量都在同一条直线上,合成磁动势为F′δ=Ff-F′ad=Ff-kadFad,由空载特性求出气隙电动势Eδ。此Eδ值与定子漏阻抗(忽略电阻时是漏电抗)相平衡,即Eδ=I(Ra+jXσ)≈jIXσ(6-26)由于Eδ与漏抗压降平衡,对于一般同步发电机,定子漏抗标么值为X*σ=0.1~0.2,则当短路电流达到额定值时,气隙电动势Eδ值仅为额定电压的10%~20%,故电机磁路处于不饱和状态,对应于图6-25(a)中的C点,F′δ∝Eδ∝I。由于F′ad=kadFad∝I,故励磁磁动势Ff=F′δ+F′ad必然与I成正比,所以短路特性是一条直线。
此时的励磁磁动势E′与直轴电枢反应电动势E′ad相加后得出气隙电动势E′δ=-E′σ。此E′是根据气隙电动势Eδ=AC的饱和程度,由OC延长线上查出为E′=BD而并非If=OB在发电机空载时所生的励磁电动势E=BF。
图6-25(a)中三角形ABC称为同步电机的特性三角形,它的底边AB为直轴电枢反应磁动势的折算值F′ad而另一直角边AC为漏电抗压降。
在进行短路试验时,应测出拖动同步发电机所需的功率,即为发电机的短路损耗pk,它包括机械损耗、电枢绕组基本铜耗和短路杂散损耗,后两者之和称为短路负载损耗。测出不同短路电流Ik时的短路损耗pk值,然后减去机械损耗,即可得到短路负载损耗随电枢电流变化的曲线,再从额定电流下的短路负载损耗减去电枢基本铜耗pcu1=mI2NRa后即为发电机的负载杂散损耗pad,Ra为电枢绕组的直流电阻。
由空载试验算出机械损耗pmec和铁耗pFe,再由短路试验算出Ik=IN时的定子铜耗pcu1和负载杂散损耗pad。此外在额定负载下测定出额定励磁电流IfN数值并算出励磁绕组铜耗pcuf=I2fNRf,再由励磁机效率算出同轴励磁机的输入功率,即可算出整个电机的总损耗为
∑p=pFe+pcu1+pcuf+pmec+pad(6-27)
得出效率为(6-28)式中;为同步发电机额定负载下的额定功率。当转速为同步转速、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曲线,称为电机的效率特性。 

 (3)零功率因数负载特性
同步发电机的负载特性是指转速为同步速度,负载电流和功率因数为常值时,发电机的端电压与励磁电流之间的关系曲线U=f(If)。负载特性是恒电流特性,其中最有意义的是IN=常数、cosφ=0时的零功率因数负载特性。
零功率因数负载特性由电枢绕组接到可变的三相纯电感对称负载,使cosφ≈0,同时调节励磁电流和负载电抗,使负载电流保持为一常值得到。当电机容量较大时,可将电机并入电网作空载过励运行,使电枢输出的无功电流为I=IN,得到零功率因数负载特性上U=UN点。接着再作此发电机的三相对称稳态短路试验,测出对应Ik=IN的励磁电流Ifk,得到零功率因数负载特性上U=0点。工程中有这两点就够用了。
图6-26(a)为忽略电枢电阻Ra时的零功率因数负载的矢量图。此时=φ=90°,电枢磁动势是去磁的直轴磁动势,于是磁动势之间和电动势之间的矢量关系都简化为代数加减关系,即Eδ=U+IXσ,F′δ=Ff-F′a(6-29)这样,在图6-26(b)中,额定相电压UNφ=OB所需的空载电流为线段BC,而在零功率因数负载时要保持同一电压却需要大得多的励磁电流If=BF。图中AE=IXσ而AF=Ifa=kadFa/Nf为克服直轴去磁磁动势kadFa=kadFad所需的励磁电流。显然CA是为了提供比UNφ大了的Eδ而增加的励磁电流。由此可见,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(图6-26(b)中画阴影线的直角三角形)。由于测取零功率因数负载特性时电流I为恒值,故该三角形大小不变。 


图6-26 零功率因数负载特性的分析

 图6-27 同步发电机的外特性
(4)外特性
外特性是发电机在n=nN、If=常数和cosφ=常数时,端电压U和负载电流I的关系曲线。
图6-27表示不同功率因数时发电机的外特性。在感性负载和纯电阻负载时,电枢反应均有去磁作用,而且定子漏阻抗压降也使端电压减小,所以外特性都是下降的。在容性负载且内功率因数角<0时,由于电枢反应的增磁作用和容性电流的漏抗压降使端电压上升的作用,外特性可能是上升的。
由此可见,为了使不同功率因数下当I=IN时均能得到U=UN,在感性负载下应供给较大的励磁电流,此时称发电机在过励状态下运行,而在容性负载下可供给较小的励磁电流,此时称发电机在欠励状态下运行。
从外特性可以求出发电机的电压变化率。调节发电机的励磁使其在额定负载时(即I=IN、cosφ=cosφN)电机端电压为额定电压,此时的励磁电流IfN称为发电机的额定励磁电流。如保持励磁电流和转速不变而卸去负载,即得到外特性上I=0所对应的点。此时的电压值即等于励磁电动势。这一过程中端电压升高的百分值,就称为同步发电机的电压调整率,即(6-30)
电压调整率是同步发电机的一项运行数据。对于凸极同步发电机,ΔU一般控制在18%~30%以内,对于隐极同步发电机,由于Xt值较大,ΔU一般控制在30%~48%(以上均指cosΦN=0.8滞后时的数值)。
(5)调整特性
当发电机负载电流变化时,为保持端电压不变,必须调节发电机的励磁电流。当n=nN、U=常数、cosφN=常数时,励磁电流If和负载电流I的关系曲线If=f(I)称为发电机的调整特性。
图6-28表示带不同功率因数负载时,同步发电机的调整特性。由图可见,它与外特性的变化趋势正好相反,对于感性和纯电阻负载,转子电流随负载增加而增加,调整特性是上升的,而在容性负载下,因负载电流的助磁作用,特性是下降的。


 图6-27 同步发电机的外特性
(4)外特性
外特性是发电机在n=nN、If=常数和cosφ=常数时,端电压U和负载电流I的关系曲线。
图6-27表示不同功率因数时发电机的外特性。在感性负载和纯电阻负载时,电枢反应均有去磁作用,而且定子漏阻抗压降也使端电压减小,所以外特性都是下降的。在容性负载且内功率因数角<0时,由于电枢反应的增磁作用和容性电流的漏抗压降使端电压上升的作用,外特性可能是上升的。
由此可见,为了使不同功率因数下当I=IN时均能得到U=UN,在感性负载下应供给较大的励磁电流,此时称发电机在过励状态下运行,而在容性负载下可供给较小的励磁电流,此时称发电机在欠励状态下运行。
从外特性可以求出发电机的电压变化率。调节发电机的励磁使其在额定负载时(即I=IN、cosφ=cosφN)电机端电压为额定电压,此时的励磁电流IfN称为发电机的额定励磁电流。如保持励磁电流和转速不变而卸去负载,即得到外特性上I=0所对应的点。此时的电压值即等于励磁电动势。这一过程中端电压升高的百分值,就称为同步发电机的电压调整率,即
(6-30)
电压调整率是同步发电机的一项运行数据。对于凸极同步发电机,ΔU一般控制在18%~30%以内,对于隐极同步发电机,由于Xt值较大,ΔU一般控制在30%~48%(以上均指cosΦN=0.8滞后时的数值)。
(5)调整特性
当发电机负载电流变化时,为保持端电压不变,必须调节发电机的励磁电流。当n=nN、U=常数、cosφN=常数时,励磁电流If和负载电流I的关系曲线If=f(I)称为发电机的调整特性。
图6-28表示带不同功率因数负载时,同步发电机的调整特性。由图可见,它与外特性的变化趋势正好相反,对于感性和纯电阻负载,转子电流随负载增加而增加,调整特性是上升的,而在容性负载下,因负载电流的助磁作用,特性是下降的。


图6-28 同步发电机的调整特性



图6-29 由空载和零功率因数特性确定定子漏电抗
2.同步发电机的参数计算
(1)由空载特性和零功率因数特性确定定子漏电抗
由于在空载特性曲线和零功率因数特性曲线之间存在一个不变的特性三角形,
该特性三角形的纵边和横边分别对应同步电机的漏抗压降和电枢反应的等效励磁磁动势。如果知道了两条特性曲线,求出它们之间的特性三角形,则可求得对应的定子漏电抗。
假定空载特性和零功率因数特性曲线如图6-29所示。在曲线2上取额定电压点A′,过A′作AO的平行线A′O′,且使A′O′=AO,再过O′作平行于空载特性起始段OB的直线O′B′交曲线1于B′,连B′A′并作B′C′垂直于A′O′交A′O′于C′,则得到特性三角形。平移至短路点即为三角形ΔABC,于是有AC=Ifa,BC=INXσ或Xσ=BC/IN。
(2)保梯(Poier)电抗的测定
实践表明由试验测得的零功率因数负载特性(如图6-29中虚线所示)与空载特性之间的特性三角形是变化的。其原因如下:
首先考虑空载If=OD时的情况。此励磁电流全部作为有效励磁电流来产生气隙磁通,并在定子绕组中感应出气隙电动势Eδ=E=DB′外还产生少量的主极漏磁通。当电机在纯电感负载下运行且If=OK,Ifa=kadFa/Nf=DK时,虽然产生气隙合成磁通所对应的等效励磁电流Ifδ=OD,与空载时相同,但零功率因数负载时产生主极漏磁的励磁电流值却是比OD大得多的OK,因而主极漏磁将显著增大,从而使转子磁极和磁轭两段磁路更加饱和,整个主磁路的磁阻变大。这时尽管气隙合成磁动势不变,但气隙电动势受到磁路饱和度增加的影响,其数值将有所减少,即Eδ<DB′,在扣除漏抗压降以后实际电压值为KP<KA′,即U<UN。故同样励磁电流下实际的零功率因数负载特性的电压值要低于前述的理想化曲线的电压值。






图6-30 由空载和短路特性确定x
上述分析表明,当考虑转子漏磁影响后,在空载特性和零功率因数负载特性之间的特性三角形是逐渐变动的。在三相稳态短路时,对应于短路点,纵边为INXσ,横边为Ifa,这时的特性三角形称为短路三角形,而对应于额定点上所得的特性三角形称为保梯(Potier)三角形,相应的漏抗称为保梯电抗Xp,保梯电抗大于漏电抗。对隐极机极间漏磁很小,Xp=(1.05~1.10)Xσ,而在凸极机中,Xp=(1.1~1.3)Xσ。
(3)由空载和短路特性确定Xd的不饱和值
同步发电机短路时合成磁动势F′δ很小,它作用在空载特性的直线部分产生很小的气隙电动势Eδ来和漏抗压降IkXσ平衡,此时的电动势相量图可按线性磁路来考虑。因此直轴同步电抗Xd的不饱和值可从图6-30所示的空载特性和短路特性中求出。
假定Ff和F′ad分别沿着空载特性直线段的延长线(即气隙线)产生相应的E′和Ead=IkXad,所对应的Xad值为其不饱和值,电动势的平衡方程为E′-jIkXad=Eδ=jIkXσ(6-31)
或E′=jIk(Xσ+Xad)=jIkXd(6-32)式中:Xd为对应于E′的d轴同步电抗的不饱和值。
在图6-30中对任一励磁电流Ifk在气隙线和短路特性上查出励磁电动势E′和短路电流Ik,即可求出直轴同步电抗的不饱和值Xd=E′/Ik(6-33)用标么值表示为


(6-34)

(4)利用空载特性和零功率因数负载特性确定Xd的饱和值 

图6-31 空载特性和零功率因数负载特性确定X
当电机在额定电压下负载运行时,磁路已处在饱和状态。严格说此时只能采用磁动势-电动势矢量图,先求出气隙磁动势,在空载特性上求出气隙电动势,再根据电动势平衡式Eδ=U+I(Ra+jXσ)绘制各时间相量。随着电气隙磁动势的变化,电机饱和程度变化,同步电抗的饱和值实际上是气隙磁动势的函数,对不同的运行情况都有不同的数值。但因发电机主要在额定电压下运行,在不同负载电流和功率因数下,其气隙电动势值相差并不大(因为漏抗压降远小于UN),为简化分析,近似地取零功率因数负载特性上,I=IN和U=UN运行状态(图6-31中A点)的气隙磁动势Eδ=BL作为考虑发电机额定运行时饱和程度的依据,连O、B两点并将之延长作为此时的线性化空载特性,而由KA的延长线与该线的交点T得出E≈UN+INXd=KA+AT,AT=INXd,故Xd的饱和值为
X*d(饱和)=Xd/(UN/IN)=AT/KA


 (5)短路比

短路比是指在一个能产生空载电动势E等于额定电压E=UN的励磁电流If0下进行三相稳态短路试验,所得到的稳态短路电流Ik0与发电机的额定电流IN的比值,用kc表示。由于短路特性为一直线,此定义又可变为:产生空载额定电压(U=UN)和产生额定短路电流(Ik=IN)所需的励磁电流之比,即 

(6-35)其中I′f0是产生气隙线上额定电压的励磁电流,kμ为电机主磁路的饱和系数。由式(6-35)可知短路比等于直轴同步电抗不饱和值的标么值的倒数乘以空载额定电压时的饱和系数,是一个计及饱和影响的电机参数。短路比小意味着同步电抗大,发电机的ΔU%较大而且并联运行时的稳定度较差(见下一节)。增大气隙,由于气隙磁导的减小可减小X*d而使短路比增大,但励磁电动势和转子用铜量增大,造价增高。随着单机容量的增长,为了提高材料利用率,对短路比的要求值有所降低。对汽轮发电机,kc=0.4~1.0;对水轮发电机,kc=0.8~1.8。
(6)电压变化率和额定励磁电流


图6-32 凸极发电机的电压变化率

同步发电机的额定励磁电流是设计励磁绕组的根据。额定励磁电流和电压变化率可用直接负载法测出,也可用作图法求出。先分别对凸极和隐极发电机讨论如下。
1)凸极同步发电机图6-32(a)是根据双反应理论并考虑了饱和影响时凸极同步发电机相量图。由于交轴气隙很大,可不计磁饱和影响,只考虑直轴磁路的饱和。设电机参数Ra、Xσ、kad和kaq已知,对应于额定负载U=UN、I=IN和cosφ=cosφN,作出气隙合成电动势Eδ=OA=UN+INRa+jINXσ。由于AM=AB/cosIqXaq/cos=IXaq,故AM=XT的长度可由磁动势kaqFaq/cos=kaqFa查空载特性的直线部分而求出。确定了M点位置,即可绘出来确定角,然后可算出Fad=kadFasin=kadFad值。

从A点作OM的垂线交于B点,OB即为气隙电动势Eδ的直轴分量Ed,再用OB从空载特性求出磁动势即为直轴合成磁动势F′d,把它加上F′ad后即为励磁磁动势Ff=OZ。用OZ在空载特性上求出E=ON后即可算出ΔU%的数值,而将OZ除以励磁绕组每极匝数Nf后即为发电机的额定励磁电流IfN。

 


 图6-33 饱和时隐极电机的保梯图和电压相量图(改)2)隐极同步发电机
隐极同步发电机饱和时的电磁关系可用保梯图表示,如图6-33所示。此图实际就是将隐极同步发电机的矢量图中的Xσ换成Xp。在图6-33中绘出Eδ=UN+INRa+jINXp,由Eδ值查空载特性得出所需的气隙磁动势F′δ,在矢量图中作F′δ超前Eδ90°,再由f=′δ-′a即可求出f。先由矢量关系画出Eδ,取垂直线段CC′=Eδ,从空载特性上求出Ifδ=OC。与CB=Ifa=kaFa/Nf矢量合成后得到IfN=OB,将OB旋转得IfN,再由此值由空载特性上查出E=DE值,ΔU=(E-UN)/UN×100%。
附带的,如果在图6-33中经过对应Eδ值的C′点作线性化空载特性OC′D′,并取OG=CB=Ifa,有GG′=Ea,故隐极同步电机电枢反应电抗的饱和值可确定为(6-36)从理论上讲,保梯图只适用于隐极电机,但实际应用中,在cosφ=0.8时对凸极发电机采用保梯图(此时取F′a=kadFa来代替Fa)所得出的IfN值的误差通常不超过5%~10%。因此在工程上求解IfN和ΔU时,无论对隐极或凸极电机均可采用保梯图法。
例6-2有一台水轮发电机,PN=15000kW,UN=13800V(Y接法),cosφN=0.8滞后,X*q=0.62,X*σ=0.24,Ra≈0,电枢磁动势按直轴折算得励磁电流为Ifa=kadFa/Nf=135A。电机的空载特性如下,试求额定负载下E与I的相位角、励磁电流及电压变化率ΔU%

表1-1
解:用标么值计算,设U*=1.0∠0°,则I*=1.0∠-36.87°。因为未知,I*无法分解,故须先求E*Q
E*Q=U*+I*Ra+jI*Xq=1.0∠0°+0+j1.0∠-36.87°×0.62=1.46∠19.9°
=θ+φ=19.9°+36.87°=56.77°
于是I*d=I*sin∠θ-90°=1×sin56.77°∠(19.9°-90°)=0.836∠-70.1°I*q=I*cos∠θ=1×cos56.77°∠19.9°=0.55∠19.9°
因X*aq=X*q-X*σ=0.62-0.24=0.38

E*d=U*+jI*X*σ+jI*qX*aq=1+j1∠-36.87°×0.24+j0.55∠19.9°×0.38=1.14∠19.9°

由此电动势实际值,查图6-34的空载特性得出直轴合成磁动势F′d折算的励磁电流值为265A。因为已知电枢磁动势Fa折算的励磁电流值为Ifa=135A,故直轴电枢磁动势Fad=Fasin所折算的励磁电流应为Ifad=kadEad/Nf=Ifasin=135sin56.7°=113A所以额定负载时励磁电流为IfN=265+113=378A 

图6-34 例6-3图
按此值查空载特性可求得在此IfN值下卸去负载后的空载电压为E=11500V,其标么值为1.27,故上述方法理论上较严格但计算较复杂并且必须先测出Xq数值。如果改用保梯图法就要简便得多而且准确度相差不大。
先求电动势Eδ,认为X*p≈X*σ,可得
E*δ=U*+jI*X*σ=1+j1∠-36.8°×0.24=1.155∠9.55°
故[图片],Eδ与I之间的夹角Φ′=36.8°+9.55°=46.35°
由空载特性可求出对应的气隙磁动势折算为励磁电流Ifδ=275A,把Ifδ和Ifa按空间矢量关系绘图,如图6-34所示。可算出
If=275+135∠(90°-46.35°)=384∠14°
由If=384A可查得E*=1.274,得到
(7)稳态参数的测定
同步发电机的稳态参数有Xd、Xq、Xp、Xσ和Ra等。除了前面介绍的办法,还可以用实验转差法同时测定Xd和Xq。试验接线图如图6-35所示。将被试电机拖到接近同步转速(转差率小于1%),在电枢绕组上外施三相对称低电压,约为(0.1~0.15)UN。此电压应保证被试电机不致被牵入同步,同时又不使剩磁电压引起太大的误差。外施电压的相序使定子旋转磁场的转向与转子转向相同,用示波器同时拍摄电枢电压、电枢电流以及转子感应电压的波形见图6-35。

图6-35 转差法测稳态参数的接线图和波形
由于没有励磁电流,E=0,当略去电枢电阻压降时,有U=-jIdXd-jIqXq(6-37)上式是对应于同步转速时电动势方程式。现在实际转速稍低于同步转速,电枢旋转磁动势Fa将以转差速率sn1缓缓掠过转子表面,当Fa对准转子直轴时,电枢磁场表现的电抗最大为Xd,故定子电流I=Id数值最小为Imin,此时供电线路压降最小,定子端电压为最大值Umax,即有
Xd=Umax/Imin(6-38)
此时励磁绕组所链的磁通为最大值,但其变化率为零,因此转子感应电压为零。
同理,当Fa对准转子交轴时,电枢磁场表现的电抗最小为Xq,定子电流I=Iq为最大电流Imax,定子端电压为最小值Umin,即有
Xq=Umin/Imax(6-39)
相应的,此时励磁绕组所链的磁通为零,变化率为最大值,转子感应电压为最大值。
由于此试验中所加电压很低,磁路不饱和,所测得的Xd和Xq均为其不饱和值。




















    上一篇: 凸极式电机介绍
    下一篇: 集电环的一般介绍
浏览 (57) | 评论 (0) | 评分(0) | 支持(0) | 反对(0) | 发布人:管理员
将本文加入收藏夹
相关文章
 
 
脚注信息
版权所有 Copyright(C)2019 沧州保兴机电设备有限公司
QQ客服
  
51客服