61三相同步发电机基本工作原理和结构 6-1-1同步发电机是怎样发出三相对称正弦交流电的? 答:同步发电机的转子上绕有励磁绕组,通以直流电励磁,产生磁场,并由原动机带动旋转,使定子三 相对称绕组不断切割转子磁场而感应出三相交流电动势。 波形:由于感应电动势的波形主要取决于转子磁场在气隙空间分布的波形,制造时使转子磁极的磁 场在气隙空间尽可能按正弦波分布,三相绕组的Y形连接和采用短距、分布绕组,便得到正弦波形的感应 电动势 (2)大小:由于定子三相绕组对称,它们切割同一个转子磁场,三相感应电动势也对称,大小均为 E=444N1KmΦ (3)相位差和相序:由于定子绕组在空间位置上互差120电角度,转子旋转磁场切割定子三相绕组在时 间上有先后顺序,定子的三相感应电动势在时间相位上就互差120电角度,如果将先切割的一相定义为A 相,则后切割的那两相就为B相和C相,因此三相电动势的相序与转子转向一致,其由转子转向决定; (4)频率:转子转过一对磁极,感应电动势就经历一个周期的变化,若电机有p对磁极,转子以每分钟n 转旋转,则每分钟内电动势变化pn个周期,即频率为: 也就是当电机的磁极对数p一定时,频率f和转速n有严格不变的关系 6-1-2什么叫同步电机?其感应电动势频率和转速有何关系?怎样由其极数决定它的转速? 答:转子的转速恒等于定子旋转磁场的转速的电机称为同步电机,其感应电动势的频率与转速之间的关 系是:f=P,当电机的磁极对数p一定时,fm,即:频率f与转速n之间保持严格不变的关系 6-1-3说明汽轮发电机的基本结构,为什么汽轮发电机的转子采用隐极式,而水轮发电机的转子采用凸极 式? 答:汽轮发电机的基本结构由定子、转子两部分组成,定子由定子铁心、电枢绕组、机座及端盖等部件组 成:转子由转子铁心、励磁绕组、护环、集电环、中心环、阻尼绕组和风扇等组成 隐极式发电机转子的励磁绕组嵌放在转子表面各槽内,气隙均匀,机械强度好,适用于少极、高转速 的汽轮发电机,凸极式发电机转子气隙不均匀,对着极弧气隙小,而极间气隙大,励磁绕组嵌放在极弧 下,适用于多极低转速的水轮发电机。 6-1-4有一台QFS-3002的汽轮发电机,UN=18千伏, coS p=0.85,f=50赫兹,试求(1)发电机的 额定电流;(2)发电机在额定运行时能发多少有功和无功功率? 300×10° 解:(1)额定电流 PN =11320A 3xcos、√3×18×103×0.85 (2)额定功率因数角q= arccos0.85=31.79° 有功功率P=300MW 无功功率Q= Pn tan gp=300×tan31.79°=186Mvan 同步电机-1
同步电机-1 6.1 三相同步发电机基本工作原理和结构 6-1-1 同步发电机是怎样发出三相对称正弦交流电的？ 答： 同步发电机的转子上绕有励磁绕组，通以直流电励磁，产生磁场，并由原动机带动旋转，使定子三 相对称绕组不断切割转子磁场而感应出三相交流电动势。 （1）波形：由于感应电动势的波形主要取决于转子磁场在气隙空间分布的波形，制造时使转子磁极的磁 场在气隙空间尽可能按正弦波分布，三相绕组的 Y 形连接和采用短距、分布绕组，便得到正弦波形的感应 电动势； （2）大小：由于定子三相绕组对称，它们切割同一个转子磁场，三相感应电动势也对称，大小均为 44 1 1 0 E = 4. fN KW （3）相位差和相序：由于定子绕组在空间位置上互差 1200 电角度，转子旋转磁场切割定子三相绕组在时 间上有先后顺序，定子的三相感应电动势在时间相位上就互差 1200 电角度，如果将先切割的一相定义为 A 相，则后切割的那两相就为 B 相和 C 相，因此三相电动势的相序与转子转向一致，其由转子转向决定； （4）频率：转子转过一对磁极，感应电动势就经历一个周期的变化，若电机有 p 对磁极，转子以每分钟 n 转旋转，则每分钟内电动势变化 pn 个周期，即频率为： 60 pn f = 也就是当电机的磁极对数 p 一定时，频率 f 和转速 n 有严格不变的关系。 6-1-2 什么叫同步电机？其感应电动势频率和转速有何关系？怎样由其极数决定它的转速？ 答： 转子的转速恒等于定子旋转磁场的转速的电机称为同步电机，其感应电动势的频率与转速之间的关 系是： 60 pn f = ，当电机的磁极对数 p 一定时，f∝n，即：频率 f 与转速 n 之间保持严格不变的关系。 6-1-3 说明汽轮发电机的基本结构，为什么汽轮发电机的转子采用隐极式，而水轮发电机的转子采用凸极 式？ 答：汽轮发电机的基本结构由定子、转子两部分组成，定子由定子铁心、电枢绕组、机座及端盖等部件组 成；转子由转子铁心、励磁绕组、护环、集电环、中心环、阻尼绕组和风扇等组成。 隐极式发电机转子的励磁绕组嵌放在转子表面各槽内，气隙均匀，机械强度好，适用于少极、高转速 的汽轮发电机， 凸极式发电机转子气隙不均匀，对着极弧气隙小，而极间气隙大，励磁绕组嵌放在极弧 下，适用于多极低转速的水轮发电机。 6-1-4 有一台 QFS-300-2 的汽轮发电机，UN=18 千伏， cos N = 0.85 ，fN=50 赫兹，试求（1）发电机的 额定电流；（2）发电机在额定运行时能发多少有功和无功功率？ 解：（1）额定电流 A U P I N N N N 11320 3 18 10 0.85 300 10 3 cos 3 6 = = = （2）额定功率因数角 0 N = arccos 0.85 = 31.79 有功功率 PN = 300MW 无功功率 tan 300 tan 31.79 186 var 0 Q = PN N = = M
6-1-5有一台TS854-210-40的水轮发电机,P=100兆瓦,UN=13。8千伏,cosφN=0.9,f=50赫兹, 求(1)发电机的额定电流;(2)额定运行时能发多少有功和无功功率?(3)转速是多少? 100×10° 解:(1)额定电流Ⅰ PN =46486A COS 3×13.8×103×0.9 (2)有功功率PN=100MW 无功功率QN= PN tan=100× tan(arccos0.9)=484Mvar (3)转速 n 60/N 150r/min 6.2三相同步发电机运行原理 6-2-1试比较三相对称负教时同步发电机的电枢磁动势和激磁磁动势的性质,它们的大小、位置和转速各 由哪些因素决定的? 答:电枢反应磁动势是交流励磁,励磁磁动势是直流励磁 基波波形 大小 位置 转速 励磁磁动正弦波恒定不变,由励磁由转子位置决「由原动机的转速 电流大小决定 决定(根据f、p 电枢反应正弦波恒定不变,由电枢由电枢电流的由电流的频率和 磁动势 电流大小决定 瞬时值决定磁极对数决定 6-2-2同步发电机的电枢反应性质主要决定于什么?在下列情况下,电枢反应各起什么作用? 1)三相对称电阻负载: 2)电容负载x=0.8,发电机同步电抗x=10: 3)电感负载x2=0.7 电枢反应的性质取决于内功率因数角ψ E U凵ZL 而ψ角既与负载性质有关,又与发电机本身的参数有关 由等效电路图可知(忽略电枢绕组电阻ra): ①当负载阻抗为Z=R时,阻抗Z=jx:+R,其阻抗 角ψ在909中>0范围内,即空载电动势E0和 电枢电流Ⅰ之间的相位角ψ在909中>0°范围内, 所以电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应; ②当负载阻抗为Z=-jx时,阻抗Z=jx-jx,由于x=1.0>x=0.8,阻抗角ψ=90°,即空载电动势E。和电 枢电流Ⅰ之间的相位角ψ=90°,所以电枢反应为直轴去磁电枢反应 同步电机-2
同步电机-2 6-1-5 有一台 TS854-210-40 的水轮发电机，PN=100 兆瓦，UN=13。8 千伏， cos N = 0.9 ，fN=50 赫兹， 求（1）发电机的额定电流；（2）额定运行时能发多少有功和无功功率？（3）转速是多少？ 解：（1）额定电流 A U P I N N N N 4648.6 3 13.8 10 0.9 100 10 3 cos 3 6 = = = （2）有功功率 PN =100MW 无功功率 Q P tan 100 tan(arccos 0.9) 48.4M var N = N = = （3）转速 150 / min 20 60 60 50 r p f n N N = = = 6.2 三相同步发电机运行原理 6-2-1 试比较三相对称负载时同步发电机的电枢磁动势和激磁磁动势的性质，它们的大小、位置和转速各 由哪些因素决定的？ 答：电枢反应磁动势是交流励磁，励磁磁动势是直流励磁 基波波形 大小 位置 转速 励磁磁动 势 正弦波 恒定不变，由励磁 电流大小决定 由转子位置决 定 由原动机的转速 决定（根据 f、p） 电枢反应 磁动势 正弦波 恒定不变，由电枢 电流大小决定 由电枢电流的 瞬时值决定 由电流的频率和 磁极对数决定 6-2-2 同步发电机的电枢反应性质主要决定于什么？在下列情况下，电枢反应各起什么作用？ 1） 三相对称电阻负载； 2） 电容负载 0.8 * xc = ，发电机同步电抗 1.0 * xt = ； 3） 电感负载 0.7 * xL = 答： 电枢反应的性质取决于内功率因数角ψ， 而ψ角既与负载性质有关，又与发电机本身的参数有关。 由等效电路图可知（忽略电枢绕组电阻 ra）： ①当负载阻抗为 ZL=R 时，阻抗 Z=jxt+R，其阻抗 角ψ在 900 >ψ>0 0 范围内，即空载电动势 . E0 和 电枢电流 。 I 之间的相位角ψ在 900 >ψ>0 0 范围内， 所以电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应； ②当负载阻抗为 ZL=-jxc 时，阻抗 Z=jxt-jxc，由于 xt * =1.0>xc * =0.8, 阻抗角ψ=900，即空载电动势 . E0 和电 枢电流 。 I 之间的相位角ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应； 。 E0 。 I ZL 。 U
③当负载阻抗为Z=jx时,阻抗Z=jx+jx的阻抗角为中=90°,即空载电动势Eo和电枢电流I之间的相位 角ψ=900,所以电枢反应为直轴去磁电枢反应 6-2-3保持转子激磁电流不变,定子电流l,发电机转速一定,试根据电枢反应概念,比较:(1)空载; (2)带电阻负教;(3)带电感负载;(4)带电容负载时发电机端电压的大小?为保持端电压为额定 值,应如何调节 答:(1)空载时,端电压为空载电动势,即UN=E0 (2)和(3)情况下,电枢反应有直轴去磁作用,端电压将下降,低于空载电动势,但带纯感性负载 (参看上题等效电路),内功率因数角ψ=90,而带纯电阻负载时的ψ更接近00(见上题),故纯感性负载 时的电枢反应直轴去磁作用更强,端电压下降得更多; (4)种情况由于负载的容抗大于发电机的同步电抗,使内功率因数角中E0 综上所述,电压从大到小的顺序为:U4>U1>U2>U3 欲保持端电压为额定值,当U>UN时,应减小励磁电流:当U<UN时,应增加励磁电流。 6-2-4同步电机的电枢反应电抗与异步电机的什么电抗相似?指出它们的相似处? 答:同步电机电枢反应电抗x与异步电机的励磁电抗xm相似 这两个电抗所对应的磁通都是由定子三相电流产生的,都通过气隙,既交链定子绕组,又交链转子绕 组,两个电抗都与气隙大小、电源频率、绕组匝数、铁心几何尺寸、材质及磁路的饱和程度有关 6-25同步电抗对应什么磁通?它的物理意义是什么? 答:同步电抗是电枢反应电抗和漏抗之和 物理意义:同步电抗是表征三相稳定运行时,电枢旋转磁场和漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数:同 步电抗越大,表示一定负载电流时,电枢反应磁场和漏磁场越强,由它们在电枢绕组中引起的电抗压降越 大 6-2-6为什么同步电抗的数值一般都较大(不可能做得较小),试分析下列情况对同步电抗的影响? 1)电枢绕组匝数增加 2)铁心饱和程度增大 3)气隙加大; 4)激磁绕组匝数增加。 答:由于电机的气隙较小,磁阻Rn很小,由x=2m得,同步电抗较大 R (1)电枢绕组匝数增加,同步电抗增大 (2)铁心饱和程度提高,磁阻R增大,同步电抗减小 (3)气隙增大,磁阻R增大,同步电抗减小。 4)励磁绕组匝数增加,由于未改变电枢绕组的匝数及电机磁路的磁阻,所以同步电抗不变 6-27一台同步电机,定子绕组施以三相对称电压,并保持恒定,试问:抽出转子与使转子以同步速沿电 枢旋转方向旋转(激磁绕组开路)这两种情况下哪种情况定子电流大,为什么? 答:定子绕组施以三相对称低电压,将在绕组中产生三相对称电流并形成旋转磁场,定子侧的电动势方 同步电机-3
同步电机-3 ③当负载阻抗为 ZL=jxL 时，阻抗 Z=jxt+jxL 的阻抗角为ψ=900，即空载电动势 . E0 和电枢电流 。 I 之间的相位 角ψ=90 0，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应。 6-2-3 保持转子激磁电流不变，定子电流 I=IN，发电机转速一定，试根据电枢反应概念，比较：（1）空载； （2）带电阻负载；（3）带电感负载；（4）带电容负载时发电机端电压的大小？为保持端电压为额定 值，应如何调节？ 答：（1）空载时，端电压为空载电动势，即 UN=E0； （2）和（3）情况下，电枢反应有直轴去磁作用，端电压将下降，低于空载电动势，但带纯感性负载 （参看上题等效电路），内功率因数角ψ=900，而带纯电阻负载时的ψ更接近 0 0（见上题），故纯感性负载 时的电枢反应直轴去磁作用更强，端电压下降得更多； （4）种情况由于负载的容抗大于发电机的同步电抗，使内功率因数角ψE0； 综上所述，电压从大到小的顺序为：U4>U1>U2>U3。 欲保持端电压为额定值，当 U> UN 时，应减小励磁电流；当 U< UN 时，应增加励磁电流。 6-2-4 同步电机的电枢反应电抗与异步电机的什么电抗相似？指出它们的相似处？ 答： 同步电机电枢反应电抗 xa与异步电机的励磁电抗 xm相似； 这两个电抗所对应的磁通都是由定子三相电流产生的，都通过气隙，既交链定子绕组，又交链转子绕 组，两个电抗都与气隙大小、电源频率、绕组匝数、铁心几何尺寸、材质及磁路的饱和程度有关。 6-2-5 同步电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？ 答：同步电抗是电枢反应电抗和漏抗 之和； 物理意义：同步电抗是表征三相稳定运行时，电枢旋转磁场和漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数；同 步电抗越大，表示一定负载电流时，电枢反应磁场和漏磁场越强，由它们在电枢绕组中引起的电抗压降越 大。 6-2-6 为什么同步电抗的数值一般都较大（不可能做得较小），试分析下列情况对同步电抗的影响？ 1）电枢绕组匝数增加； 2）铁心饱和程度增大； 3）气隙加大 ； 4）激磁绕组匝数增加。 答： 由于电机的气隙较小，磁阻 Rm 很小，由 Rm N x f 2 = 2 得，同步电抗较大。 (1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大 ； （2）铁心饱和程度提高，磁阻 Rm 增大，同步电抗减小 （3）气隙增大，磁阻 Rm 增大，同步电抗减小。 （4）励磁绕组匝数增加，由于未改变电枢绕组的匝数及电机磁路的磁阻，所以同步电抗不变。 6-2-7 一台同步电机，定子绕组施以三相对称电压，并保持恒定，试问：抽出转子与使转子以同步速沿电 枢旋转方向旋转（激磁绕组开路）这两种情况下哪种情况定子电流大，为什么？ 答： 定子绕组施以三相对称低电压，将在绕组中产生三相对称电流并形成旋转磁场，定子侧的电动势方
程式为:U=(-E1)+1(F1+jx) 若忽略定子漏阻抗压降,上式为:U≈(-E)=444NKnΦo 上式表明,当电源电压U不变时,气隙磁通基本不变。产生气隙磁通的磁动势的大小主要取决于气隙 磁通磁路的磁阻。当转子在同步速下沿电枢旋转磁场方向旋转并与抽出转子相比:前者气隙磁通路径上磁 阻小而后者磁路的磁阻很大,产生同样大的磁通所需的电流前者就比后者的小。所以,抽出转子后电枢电 流会很大,但由于定子只是施以三相对称低电压,所以电枢电流不会大到烧毁绕组的程度 6-28同步发电机带上φ>0的对称负载,后,端电压为什么会下降, x 试用磁路和电路两方面分别加以分析? 答:磁路方面:带上>0的对称负载,电枢反应的性 E 质有直轴去磁作用,故端电压会下降 电路方面:电动势方程: 由相量图可见,发电机带上q>0°的负载后,由于电机本身阻抗压降的影响,使得端电压下降 6-2-9表征同步发电机单机对称稳定运行的性能有哪些特性?其变化规律如何?什么叫短路比?它和同 步电抗有何关系?它的大小对电机的运行性能和制造成本有何关系? 答:有空载特性、短路特性、外特性和调整特性,变化规律曲线为: 空载特性: 短路特性: IN 0 外特性: 调整特性 U 短路比K:是指在空载特性曲线上对应额定电压时的励磁电流Io下,三相稳态短路电流I与额定电流I 的比值; 同步电机-4
同步电机-4 程式为： （ ） （ ） 。 。 。 1 1 U = − E1 + I 1 r + jx 若忽略定子漏阻抗压降，上式为： 4.44 0 • U （− E）= j fNKw 。 。 上式表明，当电源电压 。 U 不变时，气隙磁通基本不变。产生气隙磁通的磁动势的大小主要取决于气隙 磁通磁路的磁阻。当转子在同步速下沿电枢旋转磁场方向旋转并与抽出转子相比：前者气隙磁通路径上磁 阻小而后者磁路的磁阻很大，产生同样大的磁通所需的电流前者就比后者的小。所以，抽出转子后电枢电 流会很大，但由于定子只是施以三相对称低电压，所以电枢电流不会大到烧毁绕组的程度。 6-2-8 同步发电机带上 >00 的对称负载，后，端电压为什么会下降， 试用磁路和电路两方面分别加以分析？ 答：磁路方面：带上 >00 的对称负载，电枢反应的性 质有直轴去磁作用，故端电压会下降。 电路方面： 电动势方程： a t E U I r j I x 。 。 。 = + + . 0 由相量图可见，发电机带上 >00 的负载后，由于电机本身阻抗压降的影响，使得端电压下降。 6-2-9 表征同步发电机单机对称 稳定运行的性能有哪些特性？其变化规律如何？什么叫短路比？它和同 步电抗有何关系？它的大小对电机的运行性能和制造成本有何关系？ 答：有空载特性、短路特性、外特性和调整特性，变化规律曲线为： 空载特性： 短路特性： 外特性： 调整特性： 短路比 Kc： 是指在空载特性曲线上对应额定电压时的励磁电流 If0 下，三相稳态短路电流 Ik 与额定电流 IN 的比值； . I . U t j I x . 0 . E If U0 UN If0 If Ik Ifk IN 0 0 IN I UN U φ0° ф=0° 0 IN I If φ0°
K与同步电抗的关系是: K d(不) 其中,Ks为电机的饱和系数 影响:如果短路比大,由短路比的表达式:K。=0知,空载时产生额定电压(或E)所需的励磁电流 就大,或者说,运行时要产生所需的E就要有较大的励磁磁动势。这就表明发电机的气隙大,在保证气隙 磁通密度一定的条件下需增大励磁磁动势,其一需增加励磁绕组匝数,其二需増加励磁电流(即需增加励 磁电源容量及励磁绕组导线截面)。另外,气隙大,必导致定子几何尺寸增加,直接影响了电机的制造成 本。另一方面,由于气隙大,同步电抗减小,使电机的三相稳态短路电流大,电压变化率小及并网运行时 电机的稳定性提高 62-10同步发电机短路特性曲线为什么是直线?当k=l时,这时的激磁电流已处于空载特性曲线的饱 和段,为什么此时求得的x却是不饱和值,而在正常负载下却是饱和值? 答:同步发电机短路时,略去电枢绕组电阻有:E。=j/kx,而气隙电动势为: Eδ=j/kx 此时气隙电动势只需用来平衡漏抗压降,因x。很小,故气隙电动势很小,用来感应气隙电动势的气隙 磁通很小,所以短路时,电机磁路不饱和,E∝I1,而E∝I,因此I∝I,所以短路特性是一条过原点的 ,尽管当I=Is时励磁电流已于空载特性的饱和段,但其E取之于空载特性曲线的气隙 线,而且短路时电机磁路又处于不饱和状态,所以求得的x为不饱和值。在正常负载下,电机磁路处于饱 和状态,所以xd为饱和值 6-2-11负载大小的性质对发电机外特性和调整特性有何影响?为什么?电压变化率与哪些因素有关? 谷:(参看见题6-2-9图) 对外特性的影响: (1)发电机带阻、感性负载时,电枢反应有直轴去磁作用,随着负载的増加,去磁作用越强,端电压下 降越多,外特性曲线下降程度越大 (2)带容性负载(负载容抗大于同步电抗)时,电枢反应为直轴助磁,随着负载的增加,助磁作用越强, 端电压上升越多,外特性曲线上升程度越大 对调整特性的影响: (1)发电机带阻、感性负载时,电枢反应有直轴去磁作用,随着负载的增加,去磁作用越强,端电压下 降越多,为保持端电压不变,必须增加励磁电流,使増加的励磁磁动势恰好用来平衡去磁的电枢磁动势, 所以曲线上升; (2)带容性负载(负载容抗大于同步电抗 电枢反应为直轴助磁,随着负载大小的增加,助磁作用 越强,端电压上升越多,为保持端电压不变,必须减小励磁电流,使减小的励磁磁动势恰好用来平衡助磁 的电枢磁动势,所以曲线下降。 6-2-12一台同步发电机在额定负载运行情况下保持激磁电流不变而甩去全部负载,此时端电压上升率为 △U升在空载额定电压时保持激磁电流不变而加上额定负载,此时端电压下降变化率为△U事,问△U开和 同步电机-5
同步电机-5 Kc 与同步电抗的关系是： 其中，Ks 为电机的饱和系数。 影响：如果短路比大，由短路比的表达式： fk f c I I K 0 = 知，空载时产生额定电压（或 E0）所需的励磁电流 就大，或者说，运行时要产生所需的 E0 就要有较大的励磁磁动势。这就表明发电机的气隙大，在保证气隙 磁通密度一定的条件下需增大励磁磁动势，其一需增加励磁绕组匝数，其二需增加励磁电流（即需增加励 磁电源容量及励磁绕组导线截面）。另外，气隙大，必导致定子几何尺寸增加，直接影响了电机的制造成 本。另一方面，由于气隙大，同步电抗减小，使电机的三相稳态短路电流大，电压变化率小及并网运行时 电机的稳定性提高。 6-2-10 同步发电机短路特性曲线为什么是直线？当 k N I = I 时，这时的激磁电流已处于空载特性曲线的饱 和段，为什么此时求得的 d x 却是不饱和值，而在正常负载下却是饱和值？ 答：同步发电机短路时，略去电枢绕组电阻有： d E j I K x • • 0 = ，而气隙电动势为： 此时气隙电动势只需用来平衡漏抗压降，因 xσ很小，故气隙电动势很小，用来感应气隙电动势的气隙 磁通很小，所以短路时，电机磁路不饱和，E0∝If，而 E0∝Ik，因此 Ik∝If，所以短路特性是一条过原点的 直线。 k d I E x 0 (不) = ，尽管当 Ik=IN 时励磁电流已于空载特性的饱和段，但其 E0 取之于空载特性曲线的气隙 线，而且短路时电机磁路又处于不饱和状态，所以求得的 xd 为不饱和值。在正常负载下，电机磁路处于饱 和状态，所以 xd 为饱和值。 6-2-11 负载大小的性质对发电机外特性和调整特性有何影响？为什么？电压变化率与哪些因素有关？ 答：(参看见题 6-2-9 图) 对外特性的影响： （1）发电机带阻、感性负载时，电枢反应有直轴去磁作用，随着负载的增加，去磁作用越强，端电压下 降越多，外特性曲线下降程度越大； （2）带容性负载（负载容抗大于同步电抗）时，电枢反应为直轴助磁，随着负载的增加，助磁作用越强， 端电压上升越多，外特性曲线上升程度越大。 对调整特性的影响： （1）发电机带阻、感性负载时，电枢反应有直轴去磁作用，随着负载的增加，去磁作用越强，端电压下 降越多，为保持端电压不变，必须增加励磁电流，使增加的励磁磁动势恰好用来平衡去磁的电枢磁动势， 所以曲线上升； （2）带容性负载（负载容抗大于同步电抗）时，电枢反应为直轴助磁，随着负载大小的增加，助磁作用 越强，端电压上升越多，为保持端电压不变，必须减小励磁电流，使减小的励磁磁动势恰好用来平衡助磁 的电枢磁动势，所以曲线下降 。 6-2-12 一台同步发电机在额定负载运行情况下保持激磁电流不变而甩去全部负载，此时端电压上升率为 ΔU 升，在空载额定电压时保持激磁电流不变而加上额定负载，此时端电压下降变化率为ΔU 降，问ΔU 升和 ( ) * 1 * 1 * 0 0 d 不 s I K N K I c x I K I I K f f = = = = E j I k x . . =
△Up哪个大?为什么 答:△U>△U 原因是:见图(a)(为外特性曲线)第一种情况电机在额定状态下甩负荷,电枢反应的去磁作用消失 工作点由a(U=)变为b点(U=E),△U=E-Uk;第二种情况电机是由空载状态(U=Uk)带上额定电 流负载,电枢反应去磁作用出现,电机工作点由c(U=Uk)变为d点(U),ΔU呼=Uk-U;两种情况负载 都是额定负载(Ⅰ),电枢反应磁动势F是相等的,与之相平衡的励磁磁动势F是相等的,即折算到转 子绕组后用来平衡F的励磁电流I是相等的 再看空载特性曲线图(b) 第一种情况,如果不存在F的去磁作用,励磁电流为Io即可,为了使额定负载时U=U,由于需要 平衡F的去磁作用,励磁电流就需要增加,达到I,甩负载从而F的去磁作用消失后,对应的空载电 动势就是E,折算到转子绕组,励磁电流增加的部分IH-In,就是用来平衡F,的,ΔU升=E。-Us; E Eo U lf 第二种情况,空载电动势为E=U,对应的励磁电流为Im,负载时由于电枢磁动势F的去磁作用 电压降为U,ΔU啐=U-U:折算到转子绕组励磁电流减少的部分1o-I,就是用来平衡F的,根据上述 Iπ-I。=I。-Ia,由于第一种情况的励磁电流比第二种情况的更大些,其磁路的饱和程度就更大; 由图可见,在同样大的励磁电流I 对应的电压差△U升=E-U就比第二种情况△Ua=Uk 小,即△U升(=E。-Uk)<△U晔(=Uk-U)。 2-13一台三相汽轮发电机,PN=25000千瓦,UN=10。5千伏,cosq=0.8(滞后),Y接线,作单机 运行,同步电抗x=2.13,忽略不计。试求每相空裁电动势为7250伏,分下列几种财政部接上三相对 称负载时的电枢电流值,并说明电枢反应的性质? 解:额定电流= 额定阻抗ZN= Vco9=(105×10)×08=3528g 25000×10 同步电机-6
同步电机-6 ΔU 降哪个大？为什么？ 答：ΔU 降>ΔU 升 。 原因是: 见图（a）（为外特性曲线）第一种情况电机在额定状态下甩负荷，电枢反应的去磁作用消失， 工作点由 a（U=UN）变为 b 点（U=E0），ΔU 升= E0- UN ；第二种情况电机是由空载状态 （U=UN）带上额定电 流负载，电枢反应去磁作用出现， 电机工作点由 c（U=UN）变为 d 点（U），ΔU 降= UN -U；两种情况负载 都是额定负载（IN）， 电枢反应磁动势 Fa 是相等的，与之相平衡的励磁磁动势 Ff 是相等的，即折算到转 子绕组后用来平衡 Fa 的励磁电流 If 是相等的。 再看空载特性曲线图（b）: 第一种情况，如果不存在 Fa 的去磁作用，励磁电流为 If0 即可，为了使额定负载时 U=UN， 由于需要 平衡 Fa 的去磁作用，励磁电流就需要增加，达到 If1， 甩负载从而 Fa 的去磁作用消失后，对应的空载电 动势就是 E0，折算到转子绕组，励磁电流增加的部分 If1-If0，就是用来平衡 Fa 的，ΔU 升= E0- UN ； （a） (b) 第二种情况，空载电动势为 E0= UN , 对应的励磁电流为 If0，负载时由于电枢磁动势 Fa 的去磁作用 电压降为 U，ΔU 降= UN -U；折算到转子绕组励磁电流减少的部分 If0- If2，就是用来平衡 Fa 的，根据上述， If1-If0= If0- If2， 由于第一种情况的励磁电流比第二种情况的更大些，其磁路的饱和程度就更大; 由图可见，在同样大的励磁电流 If1-If0 下，对应的电压差ΔU 升= E0- UN 就比第二种情况ΔU 降= UN -U 小， 即ΔU 升 （=E0-UN ）<ΔU 降（=UN-U）。 6-2-13 一台三相汽轮发电机，PN=25000 千瓦，UN=10。5 千伏， cos N = 0.8 （滞后），Y 接线，作单机 运行，同步电抗 t a x 2.13,r * = 忽略不计。试求每相空载电动势为 7250 伏，分下列几种财政部接上三相对 称负载时的电枢电流值，并说明电枢反应的性质？ 解:额定电流 N N N N U P I 3 cos = 额定阻抗 = = = = 3.528 25000 10 cos (10.5 10 ) 0.8 3 3 2 3 2 N N N N N N P U I U Z UN E0 U E0 If If1 I If0 f2 N 2 1 E0 UN U U I IN a b c d
同步电抗的有名值:x1=xZN=2.13×3528=7.522 以空载电动势为基准相量,即E0=7520∠0 (1)电枢电流=E0 7520∠0° Z2+jx17.52+75)=707∠45°A I=707A,ψ=45°,所以电枢反应既有交轴,又有直轴去磁 (2)电枢电流/≈E0 7520∠0° =500∠90°A Z1+jx1j7.52+j7.5 I=500A,ψ=90°,所以电枢反应为直轴去磁。 (3)电枢电流/=Eo 7520∠0 =1000∠-90A z1+jx1-川1504+j7.52 I=1000A,中=-90°,所以电枢反应为直轴助磁。 (4)电枢电流/=~E0 7520∠0° =1000∠0°A jx17.52-7.52+j7.52 I=1000A,ψ=0°,所以电枢反应为交轴。 6-2-14有一台三相汽轮发电机,P、=25000千瓦,UN=10.5千伏,cosN=0.8(滞后),Y接线,同步 抗x=2.13,≈0。试求额定负载下发电机的空载相电动势E0、E0与U之间的夹角及E0与/之 间的夹角y,并画出相量图。 解:外功率因数角= arccos08=3687° 以电压相量为基准,即U”=1∠0° 空载电动势和功角 EO=UN+jNx2=1∠0+1∠-36870×2.3=2.8442368° E=EUN/3=2.844×105/3=1725kH 内功率因数角=8+g=3680+36870=73.7° 6-2-15有一台凸极同步发电机,x=1.0,x=06,电枢电阻略去不计,试计算发电机额定电压、额定 千伏安、cosq=0.8(滞后)时发电机的空敦电动势E0,并作出相量图 解:外功率因数角q= arccos0.8=3687 以电压相量为基准相量,即U/*=1∠0 同步电机-7
同步电机-7 同步电抗的有名值： = = 2.133.528 = 7.52 * t t Z N x x 以空载电动势为基准相量，即 0 0 = 75200 。 E (1) 电枢电流 0 0 0 . . 707 45 7.52 7.52 7520 0 = + = + = Z jx j E I L t A I=707A，ψ=450，所以电枢反应既有交轴，又有直轴去磁。 （2）电枢电流 0 0 0 . . 500 90 7.52 7.52 7520 0 = + = + = Z jx j j E I L t A I=500A，ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁。 （3）电枢电流 0 0 0 . . 1000 90 15.04 7.52 7520 0 = − − + = + = Z jx j j E I L t A I=1000A，ψ= -900，所以电枢反应为直轴助磁。 （4）电枢电流 0 0 0 . . 1000 0 7.52 7.52 7.52 7520 0 = − + = + = Z jx j j E I L t A I=1000A，ψ=00，所以电枢反应为交轴。 6-2-14 有一台三相汽轮发电机，PN=25000 千瓦，UN=10.5 千伏， cos N = 0.8 （滞后），Y 接线，同步 电抗 2.13, 0 * xt = ra 。试求额定负载下发电机的空载相电动势 E0 、 E0 与U . 之间的夹角 及 E0 与I . 之 间的夹角 ，并画出相量图。 解：外功率因数角 0 = arccos 0.8 = 36.87 以电压相量为基准，即 0 . * U =10 空载电动势和功角 . 0 0 0 . * * . * EO = UN + j I N xt =10 + j1 − 36.87 2.13 = 2.84436.8 。 ＊ E E U N / 3 2.844 10.5/ 3 17.25k V 36.8 * 0 0 0 = = = = 内功率因数角 0 0 0 = + = 36.8 + 36.87 = 73.7 6-2-15 有一台凸极同步发电机， 1.0, 0.6 * * xd = xq = ，电枢电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定 千伏安、 cos N = 0.8 （滞后）时发电机的空载电动势 0 * E ，并作出相量图。 解：外功率因数角 0 = arccos 0.8 = 36.87 以电压相量为基准相量，即 0 = 10 。 ＊ UN
内功率因数角中 E=U+jNx=1∠0+几∠-3687×06=1441944 =19440+36870=5631 电流的直轴和交轴分量: l=Isn∠-(900平+)=1xsm56310∠-(90-5631°+3687)=0.832∠-70.56° 空载 I= I cos p∠d=1cos56.31°∠1944°=0.5521944 动势 Eo=UN+Jldxd+jl =1∠0+j0.832∠-70.56×1.0+j0.5521944×0.6 =1.771940 E0=1.77 另外,内功率因数角中还可用公式求取:平=arc=Usnq lx U cos o 其中U、I均为相电压和相电流。(利用相量图的几何关系推导,过程略) 62-16有一台三相隐极同步发电机,SN=26千伏安,U、=400伏,I=375安,cosq=0.85,Y接线, 已知空载特性: E O 1.43 1.38 1.32 l24 1.09 0.86 0.7 3 2.4 1.6 1.0 0.8 0.6 0.4 短路特性: 1.0 0.85 0.65 0.5 0.15 1.0 0.8 0.6 0.2 求:x,的不饱和值、饱和值及欧姆值。 0.7 解:同步电抗的不饱和值标么值x不)-60514 同步电抗的饱和值标么值 r(饱) =1.176 0.85 短路比 0.85 0.85 同步电机-8
同步电机-8 内功率因数角ψ： 0 0 0 . * * . EON = UN + j I N xq =10 + j1 − 36.87 0.6 =1.4419.44 。 ＊ ＊ 0 0 0 = 19.44 + 36.87 = 56.31 电流的直轴和交轴分量： 0 0 0 . * 0 . * 0 0 0 0 . * cos 1 cos56.31 19.44 0.55 19.44 sin (90 ) 1 sin 56.31 (90 56.31 36.87) 0.832 70.56 = = = = − − + = − − + = − q N d N I I I I 空 载 电动势： 1.777 1.777 19.4 1 0 0.832 70.56 1.0 0.55 19.44 0.6 * 0 0 0 0 0 . * * . * . * . * 0 = = = + − + = + + E j j E U j I x j I x N d d q q ＊ 另外，内功率因数角ψ还可用公式求取： cos sin arctan U Ixq +U = 其中 U、I 均为相电压和相电流。（利用相量图的几何关系推导，过程略） 6-2-16 有一台三相隐极同步发电机，SN=26 千伏安，UN=400 伏，IN=37.5 安， cos N = 0.85 ，Y 接线， 已知空载特性： 0 * E 1.43 1.38 1.32 1.24 1.09 1.0 0.86 0.7 0.5 * f I 3 2.4 2 1.6 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 短路特性： I K * 1.0 0.85 0.65 0.5 0.15 * f I 1.2 1.0 0.8 0.6 0.2 求： * t x 的不饱和值、饱和值及欧姆值。 解：同步电抗的不饱和值标么值 1.4 0.5 0.7 0.6 * * * 0 ( ) * = = = K I f = t I E x 不 同步电抗的饱和值标么值 1.176 0.85 1 1 * * * ( ) * = = = k I f = N t I U x 饱 短路比 0.85 1 0.85 1 * * * = = = N I f = K c I I K
400 额定阻抗 6.1589 3×37.5 同步电抗的不饱和值 X不=X不2N=14×6.158=8622 同步电抗的饱和值x饱)=x饱zx=1.176×6.158=7249 6-2-17一国产三相72500千瓦的水轮发电机,UN=10.5千伏,cosq=0.8,Y接线, 空载特性为: E o 0.55 1.0 1.21 1.27 1.33 0.52 1.0 1.51 176 2.09 短路特性为过原点的直线,k=1时r=095 试求:(1)直轴同步电抗标么值x不和x (2)短路比Kc 解:在短路特性上取对应=052时的(在空载特性上有1*=0.52时的Eo*=0553 0.9650.52 0.52 =0.5388 0.965 在短路特性上取对应r=1时的/(在空载特性上有1=1时的E=1) 0.9651 k 1.036 0.965 同步电抗的不饱和值和饱和值的标么值 0.5388 x)1036 0.965 短路比K.=0=10 =1.036 A0.965 同步电机9
同步电机-9 额定阻抗 = = = 6.158 3 37.5 400 N N N I U Z 同步电抗的不饱和值 = =1.46.158 = 8.62 * t( ) t( )ZN x 不 x 不 同步电抗的饱和值 = =1.1766.158 = 7.24 * t( ) t( )ZN x 饱 x 饱 6-2-17 一国产三相 72500 千瓦的水轮发电机，UN=10.5 千伏， cos N = 0.8 ，Y 接线， 空载特性为： 0 * E 0.55 1.0 1.21 1.27 1.33 * f I 0.52 1.0 1.51 1.76 2.09 短路特性为过原点的直线， 1 * I K = 时 0.965 * I f = 试求：（1）直轴同步电抗标么值 * * xd不和xd饱 （2）短路比 KC 。 解：在短路特性上取对应 0.52 * I f = 时的 ＊ K I （在空载特性上有 If*=0.52 时的 E0*=0.55） 0.5388 0.965 0.52 0.965 0.52 1 * * = = = K K I I 在短路特性上取对应 1 * I f = 时的 ＊ K1 I （在空载特性上有 If*=1 时的 E0*=1） 1.036 0.965 1 0.965 1 1 * * 1 = = = K K I I 同步电抗的不饱和值和饱和值的标么值 0.965 1.036 1 1.02 0.5388 0.55 1 * 1 * * ( ) 52 * * * 0 ( ) * * = = = = = = = = f f I k N d K I d I U x I E x 饱 不 短路比 1.036 0.965 1.0 * * 0 = = = fk f c I I K
额定电流Ix PN 72500 =4983A 3 UCoS、√3×10.5×0.8 额定阻抗Z,= 050 IN√3×4983 =1.216g 同步电抗的不饱和值和饱和值 x(不=x不2zN=102x1216=12492 x《饱)=x饱2x=0.965×1.216=1.1792 63三相同步发电机的并联运行同步电动机 6-3-1试述三相同步发电机准同期并列的条件?为什么要满足这些条件?怎样检验是否满足? 答:条件是:(1)待并发电机的电压Ug与电网电压U大小相等 (2)待并发电机的电压相位与电网电压相位相同 (3)待并发电机的频率f与电网频率f相等 (4)待并发电机电压相序与电网电压相序一致 若不满足这些条件 条件(1)不满足,发电机在并列瞬间会产生有害的滞后(或超前)发电机电压90(即无功性质)的巨 大瞬态冲击电流,使定子绕组端部受冲击力而变形 条件(2)不满足发电机在并列瞬间会产生有害的滞后(或超前)发电机电压一相位角的巨大瞬态冲击 电流,使定子绕组端部受冲击力而变形,同时,冲击电流的有功分量还会在发电机的转轴上产生冲击机械 扭转矩,使机轴扭曲变形,大的冲击电流还会使电枢绕组过热 条件(3)不满足,发电机在并列时会产生拍振电流,在转轴上产生时正、时负的转矩,使电机振动, 同时冲击电流会使电枢绕组端部受冲击力而变形,还会使电枢绕组发热 条件(4)不满足的发电机绝对不允许并列,因为此时发电机电压U和U恒差120,△U恒等于√3U 它将产生巨大的冲击电流而危及发电机,也可能使发电机不能牵入同步 6-3-2同步发电机并列时,为什么通常使发电机的频率略高于电网的频率?频率相差很大时是否可以?为 什么? 答:当发电机的频率略高于电网频率时并列,即f>f或ωx>ωc,并列瞬间,发电机电压的U。略超前电 网 △U △U 电压Uc,图(a)在电 压差的作用下产生冲击 电流,其有功分量Ih 与发电机的电压U。同 相位,此时P2=Uxhm>0 发电机向电网发出有功功率,并且有功电流 同步电机-10
同步电机-10 额定电流 A U P I N N N N 4983 3 10.5 0.8 72500 3 cos = = = 额定阻抗 = = = 1.216 3 4983 10500 N N N I U Z 同步电抗的不饱和值和饱和值 = = = = = = 0.965 1.216 1.17 1.02 1.216 1.24 * ( ) ( ) * ( ) ( ) d d N d d N x x Z x x Z 饱 饱 不 不 6.3 三相同步发电机的并联运行 同步电动机 6-3-1 试述三相同步发电机准同期并列的条件？为什么要满足这些条件？怎样检验是否满足？ 答： 条件是：（1）待并发电机的电压 Ug与电网电压 Uc大小相等； （2）待并发电机的电压相位与电网电压相位相同； （3）待并发电机的频率 fg与电网频率 fc相等； (4) 待并发电机电压相序与电网电压相序一致； 若不满足这些条件： 条件（1）不满足，发电机在并列瞬间会产生有害的滞后（或超前）发电机电压 900（即无功性质）的巨 大瞬态冲击电流，使定子绕组端部受冲击力而变形； 条件（2）不满足发电机在并列瞬间会产生有害的滞后（或超前）发电机电压一相位角的巨大瞬态冲击 电流，使定子绕组端部受冲击力而变形，同时，冲击电流的有功分量还会在发电机的转轴上产生冲击机械 扭转矩，使机轴扭曲变形，大的冲击电流还会使电枢绕组过热； 条件（3）不满足，发电机在并列时会产生拍振电流，在转轴上产生时正、时负的转矩，使电机振动， 同时冲击电流会使电枢绕组端部受冲击力而变形，还会使电枢绕组发热； 条件（4）不满足的发电机绝对不允许并列，因为此时发电机电压 . Ug 和Uc 。 恒差 1200，△U 恒等于 3Ug ， 它将产生巨大的冲击电流而危及发电机，也可能使发电机不能牵入同步。 6-3-2 同步发电机并列时，为什么通常使发电机的频率略高于电网的频率？频率相差很大时是否可以？为 什么？ 答： 当发电机的频率略高于电网频率时并列，即 fg>fc或ωg>ωc，并列瞬间，发电机电压的 . Ug 略超前电 网 电压 U c . ，图（a）在电 压差的作用下产生冲击 电流，其有功分量 I ha . 与发电机的电压 . Ug 同 相位，此时 P2 = Ug I ha 0 , 发电机向电网发出有功功率，并且有功电流 。 U U c 。 U g . I h . I ha 。 (a) ωg ωc 。 U U g 。 U c . I h . I ha 。 (b) ωg
