同步发电机运行特性优化方法

【学习任务】（1）正确说出同步发电机的各运行特性。

（2）正确识读同步发电机的各运行特性曲线。

（3）根据各运行特性曲线正确分析同步发电机的运行状况。

任务手册14：同步电机的运行管理

同步发电机对称稳态运行时，在保持同步转速不变的前提下，其端电压U、定子电流I、励磁电流If均可在运行中测得。这三个物理量之间的相互关系可用运行特性曲线来描述，在分析正常负载运行时还要注意负载性质（即功率因数cosφ）的影响。

同步发电机的稳态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，从这些特性中可以确定同步发电机的同步电抗、电压调整率、额定励磁电流和额定效率，这些都是标志同步发电机运行性能的基本数据。

1.空载特性

同步发电机转速为同步转速空载运行，即当n＝n1，I＝0时，端电压U0与励磁电流If的关系U0＝f（If）即为空载特性。

空载特性可以通过空载试验测出。试验时，电枢绕组开路（空载），用原动机把被试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（空载时即等于E0），直到U0≈1.25UN，可得空载特性曲线的上升分支。然后逐步减小励磁电流，同样计取对应的U0和If值，便可得空载特性的下降分支，如图14－1所示。因为发电机有剩磁，故当If减至零时，U0不为零，其值为剩磁电压，实际的空载特性取上升和下降两条分支的平均值，如图14－1中虚线所示，其开始部分是直线，铁芯未饱和；弯曲部分表明铁芯已有不同程度的饱和；其后段，铁芯已达到深度饱和。

将空载特性的直线段延长后所得直线称为气隙线，如图14－2所示，对应于空载额定电压UN，磁路的饱和系数为。一般同步发电机对应于UN的饱和系数Kμ＝1.2～1.25。

图14－1　空载特性曲线

图14－2　空载特性与短路特性

空载特性是发电机的基本特性之一，它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定发电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路及判断励磁绕组和定子铁芯有无故障等。如空载损耗超过常规数值，即可能是定子铁芯有片间短路或转子绕组匝间短路等现象。

2.短路特性和短路比

1）短路特性

短路特性指同步发电机在保持同步转速下，定子三相绕组的出线端持续稳态短路时，定子相电流I（即稳态短路电流）与励磁电流If的关系，即当n＝n1，U＝0时，I＝f（If）。

短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图14－3所示。试验时，先将被试同步发电机的电枢绕组端点三相短路，用原动机拖动被试同步发电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从0起一直增加到1.25IN左右，记取对应的I和If便可作出短路特性曲线I＝f（If），如图14－2所示。

短路特性为一条直线，因为当定子绕组短路时，端电压U＝0，短路电流仅受发电机本身阻抗的限制。通常电枢电阻远小于同步电抗，因此短路电流可认为是纯感性，此时电枢磁动势接近于纯去磁性的直轴磁动势，气隙合成磁动势很小，它所产生的气隙磁通也就很小，因而发电机的磁路处于不饱和状态，故短路特性是一条直线。若忽略隐极同步发电机定子绕组电阻，则短路时，隐极式同步发电机电动势方程为。利用空载特性和短路特性可确定直轴同步电抗Xd的不饱和值和短路比。

图14－3　三相短路试验接线图

2）用空载特性和短路特性确定同步电抗Xd的不饱和值

当进行发电机三相短路试验时，ψ0≈90°，短路电流是纯感性的去磁电枢反应，磁路处于不饱和状态，故确定Xd不饱和值时（每相值）应从气隙线上查取，如图14－4所示，若忽略隐极同步发电机的定子绕组电阻Ra，则短路时电动势平衡方程为

求出的Xd值为不饱和值，Xd＝常数；当磁路饱和时，Xd随磁通Φ上升而下降。

3）短路比的确定

短路比是空载时建立额定电压所需的励磁电流If0与短路时产生额定电流所需励磁电流的IfN的比值，如图14－4所示，用KC表示，即

图14－4　Xd不饱和值的确定

由式（14－2）得

将（14－4）代入式（14－3），得

式中　Kμ——饱和系数。

4）短路比KC对电机的影响

通常隐极式同步发电机的短路比为0.5～0.7，凸极同步发电机的短路比为1.0～1.4。

式（14－5）表明，短路比KC等于Xd不饱和值标幺值的倒数乘以饱和系数Kμ。显然，短路比KC是一个记及饱和影响的参数，短路比KC对发电机的影响如下：

（1）影响发电机尺寸。短路比大，即小，气隙就大，转子励磁安匝将增加，导致发电机的用铜量、尺寸和造价增加。

（2）短路比大，则小，负载电流引起的端电压的波动幅度较小，但短路电流则较大。

（3）影响运行的静态稳定度。短路比大，小，静态稳定极限高。

5）Xd饱和值的求取

Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关，主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势。如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压。所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流IK，如图14－4所示，这样即可求出Xd（饱和）。

式中　UN——额定相电压。

对于隐极同步发电机，Xd就是同步电抗Xt。

3.外特性和电压变化率

1）外特性

外特性表示同步发电机的转速为同步转速，且励磁电流If和负载功率因数cosφ不变时，发电机的端电压U与电枢电流I之间的关系，即当n＝n1，If＝常值，cosφ＝常值时，U＝f（I）。

图14－5表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。由图14－5可见，在感性负载cosφ＝0.8和纯电阻负载cosφ＝1时，外特性是下降的，这是由电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降所引起的。在容性负载cos（－φ）＝0.8且内功率因数角为超前时，由于电枢反应的增磁作用和容性电流的漏抗电压上升，故外特性是上升的。

图14－5　同步发电机的外特性

2）电压变化率

外特性用曲线形式表明了发电机端电压变化的情况，而电压变化率则定量地表示出运行时端电压随负载波动的程度。

电压变化率是指同步发电机在保持同步转速和额定励磁电流（发电机在额定运行状态下所对应的励磁电流IfN）下，从额定负载（I＝IN，cosφ＝cosφN）变到空载时端电压变化与额定电压的比值，用百分数表示，即

电压变化率是表征同步发电机运行性能的数据之一。现代同步发电机大多数装有快速自动调压装置，故ΔU值可大些。但为了防止卸去负载时端电压上升过高，可能导致击穿定子绕组绝缘，ΔU最好小于50%。隐极同步发电机由于电枢反应较强，ΔU通常在30%～48%这一范围内，凸极同步发电机的ΔU通常在18%～30%以内（均为cosφ＝0.8滞后时的数据）。

4.调整特性

从外特性可见，当负载发生变化时端电压也随之变化，为了保持发电机的端电压不变，必须同时调节发电机的励磁电流。

调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流If与电枢电流I之间的关系，即当n＝n1，U＝常值，cosφ＝常值时，If＝f（I）。(www.xing528.com)

图14－6表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性。由图14－6可见，带感性负载和纯电阻负载时，为补偿电枢电流所产生的去磁性电枢反应和漏阻抗压降，随着电枢电流的增加，必须相应地增加励磁电流，此时调整特性是上升的，如图14－6中cosφ＝0.8和cosφ＝1的曲线所示。带容性负载时，为了抵消电枢反应的助磁作用，保持发电机端电压不变，必须随负载电流的增加相应地减少励磁电流，因此调整特性是下降的，如图14－6中cos（－φ）＝0.8的曲线所示。从调整特性可以确定额定励磁电流IfN。

发电机的额定功率因数一般规定为0.8（滞后），制造厂是根据电力系统要求的功率因数来设计制造的。因此，发电机运行在额定情况下，如果功率因数低于额定值、励磁电流超过额定值，转子绕组将过热。

5.效率特性

效率特性是指转速为同步转速、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，即当n＝n1，U＝UN，cosφ＝cosφN时，η＝f（P2）。

同步发电机在机械能转化为电能的过程中会产生以下各种损耗：

（1）定子铜耗pCu1：指三相绕组的电阻损耗。

（2）定子铁耗pFe：指主磁通在定子铁芯中所引起的磁滞损耗和涡流损耗。

（3）励磁损耗pCuf：指包括励磁绕组基本铜损耗在内的整个励磁回路中的所有损耗，如同轴励磁机的损耗也包括在励磁机的损耗内。

（4）机械损耗pΩ：包括轴承、电刷的摩擦损耗和通风损耗。

（5）附加损耗pad：包括定子端部漏磁在各金属部件内引起的涡流损耗，以及定、转子铁芯由齿槽引起的表面损耗；定子高次谐波磁场在转子表面引起的损耗等。

综合上述，同步发电机的总损耗∑p、输入功率P1与输出功率P2具有如下关系：

总损耗∑p求出后，效率即可确定，即

效率也是同步发电机运行性能的重要数据之一。现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率为96%～98.5%；空冷汽轮发电机的额定效率为94%～97.8%；氢冷时，额定效率约可增高0.8%。图14－7所示为国产300 MW双水内冷水轮发电机的效率特性。

图14－6　调整特性曲线

图14－7　同步发电机的效率特性

自测题

一、填空题

1.空载特性曲线是指同步发电机转速为同步转速时，________与________的关系曲线。在空载特性曲线上将空载特性的直线段延长后所得直线称为________。

2.短路比KC＝______________，通常隐极同步发电机的短路比为0.5～0.7，凸极同步发电机的短路比为1.0～1.4。

3.电压变化率ΔU＝____________，隐极同步发电机的ΔU通常在__________内；凸极同步发电机的ΔU通常在____________以内（均为cosφ＝0.8滞后时的数据）。

4.利用同步发电机的________和________曲线可以求取同步发电机的同步电抗。

5.利用________和________曲线可以求取同步发电机的定子漏电抗。

6.在不计磁路饱和的情况下，如增加同步发电机的转速，则空载电压________；如增加励磁电流，则空载电压________。如励磁电流增加10%，而速度减小10%，则空载电压________。

二、选择题

1.同步发电机带容性负载时，其调整特性是一条（　　）。

A.上升的曲线　　　　　B.水平直线　　　　　C.下降的曲线　　　　　D.以上都不是

2.一台隐极同步发电机，功率角等于30°，则其过载能力km为（　　）。

A.0.5　B.2　C.3　D.4

3.同步发电机带三相对称负载稳定运行时，转子励磁绕组（　　）。

A.感应低频电动势　B.感应基频电动势

C.感应直流电动势　D.不感应电动势

4.一台并联于无穷大电网的同步发电机，若保持励磁电流不变，在cosφ＝0.8滞后的情况下，减小输出的有功功率，此时（　　）。

A.功率角减小，功率因数下降　B.功率角增大，功率因数下降

C.功率角减小，功率因数增加　D.功率角增大，功率因数增加

5.并联于无穷大电网的同步发电机，欲提高其静态稳定性，应（　　）。

答案14.1

A.减小励磁电流，减小发电机的输出功率

B.增大励磁电流，减小发电机的输出功率

C.减小励磁电流，增大发电机的输出功率

D.增大励磁电流，增大发电机的输出功率

三、判断题

1.同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。（　　）

2.利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（　　）

3.利用外特性和调节特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（　　）

4.同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。（　　）

5.同步发电机的短路特性是一条过原点的直线。（　　）

四、分析计算题

1.测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降至0.95n1，则对试验结果有什么影响？

2.一般同步发电机三相稳定短路，当Ik＝IN时的励磁电流Ifk和额定负载时的励磁电流IfN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者Xd取未饱和值而后者取饱和值？为什么Xq一般总是采用不饱和值？