同步发电机的运行特性解析

当同步发电机保持同步转速旋转，并假定功率因数cosφ不变，则发电机3个相互影响的量U，I和If中的一个不变，其他两者之间的关系就确定了同步发电机的5种基本特性，即空载特性、短路特性、零功率因数负载特性、外特性和调整特性。前3条特性主要用于确定同步发电机的稳态参数和磁路饱和情况，后两条特性主要表示发电机运行特性的基本数据。本阶段主要介绍空载特性、短路特性、外特性和调整特性。

通常特性中的物理量均用标幺值表示，其值的规定与其他类型电机相同，励磁电流基值采用空载为额定电压时的励磁电流If0。

标幺值是短路电流计算中的概念，指选定一个基准容量和基准电枢、将短路计算中各个参数都转化为和该参数的基准量的比值，称为标幺值（英文为perunit）。

1.空载特性

空载特性是在发电机的转速保持为同步转速（n＝n1）、电枢开路（I＝0）的情况下，空载电压（U0＝E0）与励磁电流If的关系曲线U0＝f（If）。

通过前面章节的学习可知，空载特性曲线本质上就是电机的磁化曲线。用实验测定空载特性时，由于磁滞现象，当励磁电流If从零改变到某一最大值，再由此值减小到零时，将得到上升和下降的两条曲线，一般采用从U0≈1.3UN开始直至If＝0的下降曲线，如图4-11所示。图中If＝0时的电动势为剩磁电动势。延长曲线与横轴相交，交点的横坐标绝对值Δif0作为校正量。在所有实验励磁电流数据上加上此值，即得到通过原点的校正曲线。

图4-11　空载特性曲线的校正

2.短路特性

短路特性是指发电机在同步转速下，电枢绕组端点三相短接时，电枢短路电流Is与励磁电流If的关系曲线Is＝f（If）。

短路时，发电机的端电压U＝0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。由于一般同步发电机的电枢电阻Ra远小于同步阻抗，所以短路电流可认为是纯感性的，即φ≈90°。这时的电枢电流几乎全部为直轴电流，它所产生的电枢磁动势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，即Fa＝Fad，Faq＝0，此时电枢绕组的电抗为直轴同步电抗Xd，如图4-12所示。由图4-12可知

短路时由于电枢反应的去磁作用，发电机中气隙合成磁动势数值甚小，致使磁路处于不饱和状态，所以短路特性为一直线，如图4-13所示。即

图4-12　同步发电机的稳态短路时的等效电路

图4-13　短路特性曲线

3.外特性

外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系，即n＝ns，If＝常值，cosφ＝常值时，U＝f（I）。(www.xing528.com)

图4-14表示带有不同功率因数的负载时同步发电机的外特性。从图可见，在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的，这是由于电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降所引起的。在容性负载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，外特性也可能是上升的。

图4-14　不同功率时发电机的外特性

从外特性可以求出发电机的电压调整率。调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数、端电压为额定电压，此励磁电流IfN称为发电机的额定励磁电流。然后保持励磁电流为IfN，转速为同步转速，卸去负载（IfN＝0），此时端电压升高的百分值称为同步发电机的电压调整率，用Δu表示，即

凸极同步发电机的Δu通常为18％～30％；隐极同步发电机由于电枢反应较强，Δu通常为30％～48％。

4.调整特性

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，励磁电流与电枢电流之间的关系，即n＝ns，U＝UNφ，cosφ＝常值时，If＝f（I）。

图4-15表示带有不同功率因数的负载时同步发电机的调整特性。由图可见，在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。在容性负载时，调整特性也可能是下降的。从调整特性可以确定额定励磁电流IfN，如图4-15所示。

图4-15　调整特性曲线

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n＝ns，U＝UNφ，cosφ＝cosφN时，η＝f（P2）。

同步电机的基本损耗包括电枢的基本铁损PFe、电枢基本铜损PCu、励磁损耗PCuf和机械损耗PΩ。电枢基本铁损是指主磁通在电枢铁芯齿部和轭部中交变所引起的损耗。电枢基本铜损是换算到基准工作温度时，电枢绕组的直流电阻损耗。励磁损耗包括励磁绕组的基本铜损、变阻器内的损耗、电刷的电损耗以及励磁设备的全部损耗。机械损耗包括轴承、电刷的摩擦损耗和通风损耗。杂散损耗包括电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过主极表面所引起的表面损耗等。

总损耗∑P求出后，效率即可确定，即

现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率大致为96％～98.5％；空冷汽轮发电机的额定效率为94％～97.8％；氢冷时，额定效率可增高约0.8％。