1、 同步發電機在轉速保持恒定、負載功率因同步發電機在轉速保持恒定、負載功率因數不變的條件下，有三個主要變量：定子端電數不變的條件下，有三個主要變量：定子端電壓壓U U、負載電流、負載電流I I、 勵磁電流勵磁電流i if f。三個量之中保。三個量之中保持一個量為常數，求其它兩個量之間的函數關持一個量為常數，求其它兩個量之間的函數關系就是同步發電機的運行特性。系就是同步發電機的運行特性。3、 負載特性：當I I=const,Cos=const時, U Uf(i if f) 五種基本特性：五種基本特性： 1、 空載特性：當I I=0時，E E0 0 (U U0 0) f(i if f) 2、 短路特

2、性：當U U=0時， I Ik kf(i if f) 4、 外 特 性：當i if f= const,Cos=const時， U Uf(I I)5、 調整特性：當U U= const,Cos= const時, i if ff(I I) 6.3.1 同步發電機的運行特性同步發電機的運行特性一、同步發電機空載特性曲線的測定一、同步發電機空載特性曲線的測定 同步發電機達到同步轉速后，加入勵磁電流，改變同步發電機達到同步轉速后，加入勵磁電流，改變勵磁電流，空載電勢也隨之改變。勵磁電流，空載電勢也隨之改變。1 1、 勵磁電流由零升至最大值勵磁電流由零升至最大值2 2、 勵磁電流由最大值降為零勵磁電流由最

3、大值降為零 由于鐵磁材料磁滯的原因由于鐵磁材料磁滯的原因, , 空載電勢略有不空載電勢略有不同，一般取下降的空載特性曲線。同，一般取下降的空載特性曲線。IfU0=E0i if0f0圖圖6.28 6.28 空載特性的實驗測定及空載特性的實驗測定及校正校正12圖圖6.29 三根空載特性曲線三根空載特性曲線E0 =f (Ff )二、二、 同步發電機的短路特性同步發電機的短路特性當U U=0、保持n=nN時， I Ik kf(I If f) 1、短路時（、短路時（U=0）電動勢方程電動勢方程隱極機隱極機：凸極機凸極機：即即.= =E E0 0+E+Ead ad +E+Eaqaq =U+IR=U+IRa

4、 a. .+jIXjIX . .E . . .E = =E E0 0+E+Ea a =U+=U+I IK R Ra a+jI+jIK X X . .E = =U+IRU+IRa a+jIX+jIX . . jIjIK X X .2 2、短路特性曲線、短路特性曲線 已知已知 、當當Ra=0時時不飽和）(0ddaqqaddaXI jXI jXI jXI jRIUEtktkak0XI jXI jRIUE 隱極機：隱極機：凸極機：凸極機： 90900 0, ,電樞磁勢基電樞磁勢基本上為本上為純直軸去磁純直軸去磁，F Fa a=F=Fadad, ,F Faqaq=0=0. .0.UF =Ff Fad （

5、數值上）（數值上）又因磁路不飽和，又因磁路不飽和，F I IK Fad I IK 故：有故：有Ff I IK 即即If I IK 短路特性為一條過原點的直線短路特性為一條過原點的直線。. .E = =U+IRU+IRa a+jIX+jIX . . jIjIK X X . 穩態短路時，電機中的穩態短路時，電機中的電樞反應為純去磁作用電樞反應為純去磁作用，電機的磁通和感應電勢較小，電機的磁通和感應電勢較小，短路電流也不會過短路電流也不會過大，所以大，所以三相穩態短路運行沒有危險三相穩態短路運行沒有危險。 INIOfkIfI短路特性圖圖6.30 短路特性短路特性. .E .= =E E0 0+E+E

6、ad ad +E+Eaqaq =U+IR=U+IRa a. .+jIjIkX X . .E . .I. .E0FfFad . .EadFad F 圖圖6.31 6.31 穩態短穩態短路時路時-空矢量空矢量3、穩態短路時、穩態短路時-空矢量圖空矢量圖0.U三角形三角形ABC為同步為同步發電機的特性三角發電機的特性三角形。形。 =Fad =I INX X Ff （ If ）E OCAE0 =f (If )BE F FadE圖圖6.326.32特性三角形特性三角形- -AB- -AC4、特性三角形（短路三角形）、特性三角形（短路三角形）. .E .= =E E0 0+E+Ead ad +E+Eaqa

7、q =U+IR=U+IRa a. .+jIjIkX X 數值小數值小,對應的磁通也小對應的磁通也小,電機磁路電機磁路不飽和不飽和思考：思考： 同步發電機定子繞組的出線端短路后，電樞同步發電機定子繞組的出線端短路后，電樞電流電流 I 隨勵磁電流隨勵磁電流 If 變化，兩者為什么成正比變化，兩者為什么成正比關系？關系？ 隱極機隱極機：短路時：短路時 故故 Xt=E0 /IK 短路時磁路不飽和，故在同一短路時磁路不飽和，故在同一Ff ( If )下，由下，由空載特性中的空載特性中的氣隙線氣隙線E0=f (Ff )求得求得E0 ，由短，由短路特性求得路特性求得IK，由，由Xt=E0 /IK得得不飽和同

8、步電不飽和同步電抗抗Xt 。5、不飽和同步電抗的求取、不飽和同步電抗的求取（利用（利用圖圖6.29短路特性、空載特性求取）短路特性、空載特性求取）tktkak0XI jXI jRIUE 不飽和）不飽和）(XI jXI jXI jXI jRIUEddaqqadda0 凸極機凸極機：短路時：短路時 X Xd不飽和不飽和=E0 /IKX Xd*不飽和不飽和= X Xd不飽和不飽和/Zb =(E0 IN ) / ( IKUN ) =E0 * /IK * 在同一在同一Ff ( If )下，由空載特性中的下，由空載特性中的氣隙線氣隙線E0 =f (Ff )求得求得E0 ，由短路特性求得，由短路特性求得IK

9、，由，由X Xd不飽和不飽和=E0 /IK得不飽和同步電抗得不飽和同步電抗X Xd 。 根據經驗公式根據經驗公式 X Xq 0.65X Xd可求可求X Xq。 定義：定義：當發電機空載運行時，空載電動勢等于額當發電機空載運行時，空載電動勢等于額定電壓時，所加的勵磁電流定電壓時，所加的勵磁電流 If0 ，保持此，保持此If0不變，不變，在穩態短路時所對應的短路電流為在穩態短路時所對應的短路電流為IK0 ， IK0與發電與發電機額定電流機額定電流IN 之比，稱為之比，稱為短路比短路比 ，用，用kc表示。表示。 kc = IK0 / IN = If0 (U0 =UN) / IfK (IK =IN)

10、= (If0 / If0 )* * (If0 / IfK)=k UN / E0 = k / X Xd*不飽和不飽和6、短路比、短路比 (圖圖6.29中黑線所示）中黑線所示） If EE0E E0 氣隙線氣隙線IKUNIf0IK0INIfKIf0 圖圖6.29 由空載短路特性確定由空載短路特性確定同步電抗同步電抗和和kcIf0 -產生產生空載空載額定電壓所需的額定電壓所需的勵磁電流勵磁電流If0 -產生產生氣隙氣隙線線上空載額定電上空載額定電壓所需的壓所需的勵磁電勵磁電流流IfK -產生產生額定額定短路電流短路電流所需的所需的勵磁電流勵磁電流k -電機主磁路電機主磁路的飽和系數的飽和系數kc分析

11、分析： kc小，負載變化時，發電機電壓變化較小，負載變化時，發電機電壓變化較大，并聯運行時穩定性較差，但電機造價便宜。大，并聯運行時穩定性較差，但電機造價便宜。若：增大電機氣隙若：增大電機氣隙, ,Xd kc 此時，電機靜態穩定性好，過載能力強，但要增大此時，電機靜態穩定性好，過載能力強，但要增大勵磁磁動勢，轉子用銅量增大，勵磁磁動勢，轉子用銅量增大，造價高。造價高。汽輪發電機：汽輪發電機： kc =0.41水輪發電機：水輪發電機：kc =0.81.81、定義、定義 發電機的負載特性是指當負載電流發電機的負載特性是指當負載電流=常數，常數，功率因數功率因數cos =常數的條件下，端電壓常數的條

12、件下，端電壓U與勵與勵磁電流的關系磁電流的關系 。其中當。其中當cos =0時一條負載特時一條負載特性稱為零功率因數特性。性稱為零功率因數特性。三、零功率因數特性三、零功率因數特性2、相量圖、相量圖 cos =0 的負載為純電感負載，的負載為純電感負載， Ra遠小于遠小于回路電抗，故回路電抗，故 =900，零功率因數負載時的電樞，零功率因數負載時的電樞磁動勢也是磁動勢也是純去磁作用的直軸磁動勢純去磁作用的直軸磁動勢。. .=U+IR=U+IRa a+jIXjIX . .E . .=U+j=U+jIXIX . I I滯后于滯后于U90U900 0. .I. .E0FfFad Fad F . .U

13、jIXjIX . . .E Fad = Fa 圖圖6.316.31零功率因數負載時時零功率因數負載時時-空矢量圖空矢量圖畫出相量圖見圖畫出相量圖見圖6.316.31可以看出，可以看出， 與與U U處處于同一方位，其相量加減于同一方位，其相量加減可簡化為代數加減，即可簡化為代數加減，即j jIXIX .E =U+ IXIX F =Ff- - Fa 3 3、零功率因數特性與空載特性之間存在一個特性三零功率因數特性與空載特性之間存在一個特性三角形（見圖角形（見圖6.31）圖圖6.31 6.31 零功率因數負載特性的分析零功率因數負載特性的分析三角形三角形EAF也為也為同步發電機的特同步發電機的特性三

14、角形。性三角形。 = UN =IX =IX = =I If0 f0 = =I If f = =I Ifafa : :克服漏阻抗克服漏阻抗壓降壓降IXIX 所需勵磁所需勵磁電流電流- -OB- -EA- -BC- -BF- -AF- -ACF Ff f(I(If f ) )UABE EE0=f (If )OKCFUNI Ifafa 在測定零功率因數負載特性時，在測定零功率因數負載特性時，I I保持不保持不變，故特性三角形大小不變。變，故特性三角形大小不變。 若若X X 已知，已知，對應于一固定對應于一固定I I的去磁作用的等效勵磁磁動的去磁作用的等效勵磁磁動勢力勢力I Ifafa，該三角形唯一確

15、定，將左上角頂點，該三角形唯一確定，將左上角頂點沿空載特性移動時，其右下角頂點的軌跡即沿空載特性移動時，其右下角頂點的軌跡即為所求的零功率因數負載特性。為所求的零功率因數負載特性。 若零功率因數負載特性是若零功率因數負載特性是實測實測( (設設I=II=IN N) )的，如圖的，如圖6.356.35中虛線所示，此時特性三角形為中虛線所示，此時特性三角形為A“ B” C “ ， 大于大于 ，計算的，計算的電抗將大于漏抗電抗將大于漏抗X X ，稱為，稱為保梯電抗保梯電抗X XP P，X XP P= = /I IN N 實測零功率因數負載特性實測零功率因數負載特性3 3與理想零功率因數負載與理想零功

16、率因數負載特性特性2 2不同是由于轉子漏磁影響。若測零功率因數負不同是由于轉子漏磁影響。若測零功率因數負載特性時電壓低，載特性時電壓低，磁路不飽和磁路不飽和，則仍為曲線，則仍為曲線2 2，此時，此時作特性三角形可求作特性三角形可求X X 。4 4、保梯電抗、保梯電抗- -BCBC_ _BC_ _圖圖6.35 由空載和零功率因數特性求特性三角形由空載和零功率因數特性求特性三角形F Ff f(I(If f ) )UCE0=f (If)OAUNBOBACBACO123IfaI INX X I=0I=0I=II=IN 三相穩定短路時，特性三角形縱邊長為三相穩定短路時，特性三角形縱邊長為IXIX ，橫邊

17、長為橫邊長為Ifad=Ifa，稱為短路三角形。隨電壓升高，稱為短路三角形。隨電壓升高，縱邊逐漸增長，橫邊逐漸變小，對應于縱邊逐漸增長，橫邊逐漸變小，對應于U=UU=UN時所時所得特性三角形縱邊長為得特性三角形縱邊長為IXIXp，稱，稱保梯三角形保梯三角形。凸極機：凸極機： X Xp=(1.05=(1.051.1)1.1)X X 隱極機：隱極機： X Xp=(1.1=(1.11.3)1.3)X X 1、外特性、外特性 n=nN, If =常數常數,cos =常數條件下，同常數條件下，同步發電機單機運行時步發電機單機運行時,端電壓端電壓U隨負載電隨負載電流而變化的關系曲線流而變化的關系曲線U=f(

18、I) 。四、外特性和電壓調整率四、外特性和電壓調整率 感性負載及純電阻負載：電樞反應去磁感性負載及純電阻負載：電樞反應去磁感性負載感性負載( 0, 90 0，cos 滯后滯后)，勵磁電，勵磁電流流If不變時，隨著電樞電流不變時，隨著電樞電流I的增大，有兩個因的增大，有兩個因素導致端電壓下降：素導致端電壓下降： 電樞反應的去磁電樞反應的去磁 EU ；漏抗壓降；漏抗壓降IRa的增大。故感性負載的增大。故感性負載同步電機的外特性是下降的曲線。同步電機的外特性是下降的曲線。2、外特性曲線形狀與負載的性質有關。、外特性曲線形狀與負載的性質有關。容性負載容性負載對于對于(j 0,y90，cos j超前超前

19、)，電，電樞反應為增磁作用，電樞電流樞反應為增磁作用，電樞電流I增大，端電增大，端電壓壓U反而增大。反而增大。圖圖6-32 給出了各種情況下的外特性曲線。給出了各種情況下的外特性曲線。純電阻負載純電阻負載:電樞反應去磁電樞反應去磁,外特性是下降外特性是下降曲線曲線.3、為使不同、為使不同cos 下，下，I=IN時均有時均有U=UN，則，則 感性負載下所需勵磁電流感性負載下所需勵磁電流If大大-過勵狀態過勵狀態 容性負載下所需勵磁電流容性負載下所需勵磁電流If小小-欠勵狀態欠勵狀態 純電阻負載純電阻負載cos 11下所需勵磁電流下所需勵磁電流If-正正常勵磁狀態。常勵磁狀態。IUNIONUcos

20、=0.8滯后滯后cos=1cos=0.8超前超前圖圖6-32 同步發電機的外特性同步發電機的外特性例例6-1 一臺凸極同步發電機，其直軸和交軸同步電一臺凸極同步發電機，其直軸和交軸同步電抗的標幺值為抗的標幺值為 ， ，電樞電阻略去不，電樞電阻略去不計，試計算該機在額定電壓、額定電流、計，試計算該機在額定電壓、額定電流、 (滯后滯后) 時激磁電動勢的標幺值時激磁電動勢的標幺值 (不計飽和不計飽和) n解解 以端電壓作為參考相量以端電壓作為參考相量 虛擬電動勢為虛擬電動勢為0*01U0*87.361 I8 . 0cos *0E0 . 1*dX6 . 0* qX00*44.19442. 187.366 . 01jXI jUEqQn即即角為角為1944，于是，于是n電樞電流的直軸、交軸分量