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1、电机学Electrical Machinery,自动化系温志明,2013,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,2,空载、短路特性转差法求Xd和Xq；短路比的概念（补充）外特性、调整特性、效率特性,本节内容,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,3,同步电机的特性分析基础,对称运行：指电机转速为额定值且保持恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式主要变量：电压U、电枢电流I、励磁电流If和 功率因数cos,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,4,同步电机的特性分析基础,特性：(1)空载特性：I=0(2)短路特性：U=0(3)负载特性：I=const、cos=const(4)外
2、特性：If=const、cos=const(5)调整特性：U=const、cos=const 主要参数：同步电抗xs、xd、xq及漏抗x,区别不同的条件、参数间关系,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,5,标幺值计算时的基值,定子侧 电压基值额定相电压 电流基值额定相电流 容量功率基值电压基值*电流基值 阻抗基值电压基值/电流基值转子侧 转子电流基值空载电势为额定相电压时的 励磁电流,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,6,同步发电机的空载特性,当空载运行时（电枢绕组开路，I=0）,空载电动势E0随转子励磁电流If变化的关系。空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 E00
3、If Ff,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,7,同步发电机的空载特性,当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为（气隙线）磁势主要消耗在气隙上随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。（向下弯曲）铁磁饱和后，需磁势迅速增大，横向距离bc为铁磁部分的磁压为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,8,同步发电机的空载特性,饱和系数：E0*=1时的总磁势与气隙磁势之比，一般在间 意义：空载磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电势都降低到未饱和时的1/k。
4、,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,9,空载特性的实验测定,调节可变电阻，使励磁电流逐步上升，每次记下If和E0的读数。作同步电机的空载特性由于存在剩磁，规定用下降曲线来表示空载特性。从1.3UN对应的励磁逐步减小,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,10,空载特性的实验测定,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,11,空载特性的工程应用,将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难 如饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率较低，铁
5、心耗材较多。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,12,空载特性的工程应用,结合短路特性可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,13,同步发电机的短路特性,发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流Ik与激磁电流If间的关系曲线。,忽略绕组电阻ra,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,14,同步发电机的短路特性,影响：电机磁路处于不饱和状态。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,15,短路特性曲线,去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态电枢磁势Fa正比于电枢电流I=Ik短路特性是一
6、直线,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,16,短路特性曲线,稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流不大，三相稳态短路运行没有危险,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,17,隐极同步发电机的短路特性分析,纯去磁短路特性不饱和,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,18,凸极同步发电机的短路特性分析,所以：,结论：利用空载特性和短路特性，可以求出Xd。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,19,短路特性的测定短路试验,先将三相电枢绕组在出线端处短接，再起动原动机将发电机带到同步转速，通入不同数值的激磁电流If，读取每次相应的短路电流Ik，即得同
7、步发电机的短路特性。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,20,负载特性曲线,端电压与激磁电流间的曲线Uf(If)，I=const，cos=const零功率因数特性（2）：cos=0的负载特性纯感性负载，纯去磁作用的电枢反应,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,21,零功率因数特性（2）：cos=0的负载特性纯感性负载，纯去磁作用的电枢反应 Faq=0,Fad=Fa合成磁势端电压,负载特性曲线,矢量（相量）关系变成了代数关系,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,22,空载特性与零功率因数曲线,mn对应于去磁磁势kadFad的励磁电流on：合成磁势om=mn+om：励磁磁势Ff
8、an：E合成电势ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c点：对应(U,If)为零功率因数特性曲线上一点,负载时实际励磁,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,23,空载特性与零功率因数曲线,电抗三角形abc如电枢电流保持不变，三角形大小不变高ab=Ix，底边bc=mn均正比于电枢电流c点轨迹即为零功率因数曲线,负载时实际励磁,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,24,零功率因数曲线求取,两点试验实验法,当电机较大时，将电机并联于电网，有功调节为零，调节励磁使发出无功电流达到IN，即为e点.,短路点e点（I=IN,U=0）调节发电机励磁电流，使三相稳定短路电流为额定值,额定电压点c点（
9、I=IN,U=UN）调节发电机处于过激，电枢电流为额定值，输出有功功率为0（零功率因数），激磁电流和额定电压决定c点,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,25,同步发电机的参数及测定,同步电抗：饱和与不饱和值xd和xq的转差法测定短路比漏抗和保梯电抗,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,26,同步电抗的实验测定,不饱和同步电抗 短路时不计饱和,凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,27,饱和同步电抗,在纯感性负载时,磁路饱和决定于空气隙中的合成磁场，忽略漏阻抗压降，则决定于端电压。不同的端电压时，xs不同当磁路不饱和时，同步电抗电压为
10、ca，比ca大。不饱和同步电抗的数值比饱和同步电抗的数值大。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,28,转差率试验，测定xd、xq,同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速，转子激磁绕组开路（不加激磁），在定子端子上外施对称三相电压。为了避免转子被牵入同步，外施电压约为额定电压的1/4左右，且使其相序能保证电枢旋转磁场的转向与转子的转向致。调节原动机转速，使约有1一2的转差。此时，定子旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和交轴重合。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,29,转差率试验，测定xd、xq,当定子旋转磁场与转子直轴重合时，定子的电抗为xd，此时电抗最大，定子电流最小，线路压降
11、最小，端电压为最大。当定子旋转磁场与转子交轴重合时，定子的电抗为xq，此时电抗最小，定子电流最大，线路压降最大，端电压为最小。计算为不饱和值,1 外施电压低，定子电枢磁场较小2 无激磁电流，没有转子励磁磁场,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,30,转差率试验，测定xd、xq,应用：正常运行时，电机磁路饱和，d轴气隙小而磁导大，磁路饱和而使xd减小，分析时应用xd饱和值；短路时，由于电枢反应的去磁作用，使电机磁路处于不饱和状态，xd用不饱和值。q轴：磁路气隙较长，磁导小，磁路不饱和，xq取不饱和值。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,31,转差法求Xd 和Xq,目的：同时测出Xd
12、 和Xq。方法：励磁绕组开路，If=0;定子绕组外施三相对称低电压，U(25)UN；定子旋转磁场与转子转向一致；转速接近但不等于同步转速，S0.5%。操作：用示波器拍摄电枢电压、电枢电流和励磁电压波形。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,32,转差法求Xd和Xq,原理：,当定子磁场与d轴重合时，I=Id，Iq=0，电抗达到最大值；当定子磁场与q轴重合时，I=Iq，Id=0，电抗达到最小值。所以：,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,33,短路比kK,在空载时使空载电势有额定值时的激磁电流If0与在短路时使短路电流有额定值时的激磁电流Ifk之比,在激磁电流为If0时的短路电流标幺值
13、,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,34,同步发电机的短路比,定义：对应于空载额定电压的励磁电流下，在三相稳态短路时，短路电流与额定电流之比。,转换：产生空载额定电压时与产生额定短路电流时所需的励磁电流之比。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,35,同步发电机的短路比,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,36,短路比kK,分析：短路比略大于不饱和同步电抗的倒数 短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化就小，并联运行时发电机的稳定度较高；设计上，电机气隙较大，转子的额定激磁磁势和用铜量增大。短路比小，同步电抗大，负载变化时发电机的电压变化就大电压调整率大，发电机的
14、稳定度较差。工程上：随着单机容量的增大，为了提高材料利用率，随机组容量增大短路比降低。由于采用自动励磁调节装置，大大提高了运行稳定性，降低短路比可以提高电机经济指标,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,37,漏抗的测定,电抗三角形法,抽出转子法,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,38,抽出转子法测漏抗,抽出电机转子，定子绕组外施三相对称电压，使输入电流达到额定值（U=15%UN）电压方程 忽略定子绕组电阻，则：特点：实测值大于实际值转子空间也归入了漏磁路，使总磁阻减小，表现漏抗增大。可采用探测线圈修正。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,39,保梯电抗xp,在三相稳态短路
15、时，纵边为INx短路三角形随着电压增加，三角形纵变将增大，对应于U=UN，边长为INxP保梯(potier)三角形汽轮发电机，极间漏磁通较小，xp近似等于x 凸极发电机，xp=(1.1-1.3)x,零功率因数试验时，磁极漏磁较大，磁极饱和程度较空载时高，为此必须加大激磁,曲线2：由特征三角形及空载特性作出,当考虑转子漏磁影响后，特性三角形纵边并非恒定不变。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,40,同步发电机的稳态运行特性,外特性电压变化率调整特性效率特性磁势法求电压变化率和额定励磁电流,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,41,发电机的外特性,n=n1,If=const，cos=
16、const，单机运行，发电机端电压U随负载电流 I的变化关系与负载的性质有关,影响因数：1.电枢反应2.漏抗压降,当容性负载且内功率因数超前时，电枢反映是助磁作用，特性可以呈上升形状。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,42,在容性负载时，需适当降低励磁，呈欠激运行,在感性负载下需供给较大励磁，称为过激运行,不同功率因数下，I=IN时均有U=UN,发电机的外特性,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,43,同步发电机的外特性,过励状态,欠励状态,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,44,发电机的调整特性,n=n1,U=const，cos=const，作单机运行，负载电流 I与
17、励磁电流If的关系物理意义：维持端电压不变，励磁电流需随负载电流的大小变化进行调节。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,45,发电机的调整特性,在感性负载时，随负载增大，需增加励磁以抵消电枢反应的去磁作用,在容性负载时，随负载增大，需减小励磁以平衡电枢反应的助磁影响,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,46,效率特性,n=nN，U=UN，cos=cosN，效率与输出功率P2的关系测量方法：直接负载法，损耗分析法,损耗分析：基本损耗：电枢铁耗，电枢铜耗，励磁损耗，机械损耗杂散损耗：漏磁引起的涡流损耗，谐波引起的转子表面损耗等,额定效率范围：1 水轮发电机（空气冷却）：96%-98.
18、5%2 汽轮发电机（空气冷却）：94%-97.8%,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,47,同步发电机的效率特性,前提：n=n1，U=UN，cos=cos N求取：=f(P2),测量方法：直接负载法，损耗分析法。范围：现代大型同步发电机的效率一般都在95以上。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,48,电压变化率,保持转速与励磁不变，如负载减小，则电枢反应的去磁作用也减小，端电压将升高电压变化,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,49,电压调整率,保持额定运行时的励磁电流和转速不变，发电机的额定运行时的端电压为UN，空载时端电压为空载电势 E0，电压调整率表示,U是发电机的
19、性能指标之一，按国家标准规定应不大于50%通过采用快速励磁调节器，可以自动改变激磁电流使发电机端电压保持不变,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,50,电势法求U%,从等效电路根据相量图分析,应用同步电抗的饱和值,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,51,磁势法求U%,考虑了磁路的饱和情况，直接反应电枢磁势Fa的作用用保梯电抗xp代替漏抗，反映负载时转子漏磁的变化,已知额定负载时U=UN，I=IN，cos=conN 已知电机参数ra，xp，Kad，Kaq,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,52,Ifa Ifk,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,53,例题12-1 分析,求参数注意：每相值，容量与功率，绕组接法电势法求电压变化率凸极电机应首先确定E0的方向，双反应分解磁势法实用简化图，Ifa超前If0为N角,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,54,思考题,1.为什么同步电机空气隙比容量相当的异步电机大？同步电机空气隙大，同步电抗小，短路比大，电机运行稳定性高。但电机尺寸大，成本高；异步电机的励磁由电网供给，如采用较大的气隙，则激磁电流增大。,电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，,55,谢谢大家！,
