同步发电机的运行特性

　　1．空载特性

　　同步发电机的空载、短路及零功率因数特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，以确定同步发电机的其他特性。

　　当同步发电机运行于n=n₁，I_a=0时，即称为空载运行。

　　（1）同步发电机空载特性曲线的测定

　　同步发电机达到同步转速后，加入励磁电流，改变励磁电流，空载电势也随之改变。

　　①励磁电流由零升至最大值

　　②励磁电流由最大值降为零

　　由于铁磁材料磁滞的原因，

　　空载电势略有不同，一般取下降得空载特性曲线

图1 同步发电机空载特性曲线

　　显然，此时我们通过改变励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变化。

　　（2）空载特性：空载时不同励磁电流和产生空载电势之间的关系，

图2 同步发电机空载特性

　　因E₀正比于₀，而励磁电流又正比于励磁磁势，所以空载特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相同。空载特性主要有两个用处：

　　①空载特性可以反映出电机设计是否合理。如同前面所分析的情况一样，额定电压应位于空载特性开始弯曲的部分，这样才比较经济合理。

　　②同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数，同步电机的许多性能由它所决定。空载特性配合短路特性可以求出同步电抗。

　　2．短路特性

　　当同步发电机运行于n=n₁，电枢三相绕组持续稳态短路（即U=0）时，称为短路运行。如改变它的励磁电流，三相短路电流也随之而改变。短路特性就是研究这两个量之间的变化关系，I_K =f（I_f）曲线。

　　如果略去电枢电阻:

　　得到：

　　因为忽略了电阻效应，电枢是纯电感电路，短路电流滞后于电势90电角度，所以产生的电枢反应是直轴去磁效应。此时电机内的磁通很弱，磁路是不饱和的，所以同步电抗为一个常数。　

图3 同步发电机短路特性

　　同步发电机定子绕组的出线端短路后，电枢电流I随励磁电流i_f变化，两者为什么成正比关系？

　　若忽略Ra， 则　　　　　　　　　　　　　　 　

　　三相短路时，由于滞后于90电角度，即ψ=90°，因此在凸极电机中，短路电流全是直轴分量，而交轴分量为零。所以 　

　　由于电枢磁势的直轴去磁作用，使电机中磁通小，磁路也不饱和，所以式上式中的Xd也是一个常数。

　　同步发电机在三相稳态短路时，由于短路电流所产生的电枢磁势对主磁极去磁，减少了电机中的磁通及感应电势，使短路电流不致过大，所以稳态的三相短路是没有危险的。

　　3．同步发电机的零功率因数负载特性

　　同步发电机的负载特性是在 n=n_N、I=常数、cos=常数的条件下，端电压与励磁电流之间的关系曲线 U=f（I_f），如图所示。其中以零功率负载特性最有实用价值。

　　零功率因数负载特性由可变纯电感负载条件确保cosφ≈ 0 ，通过试验测得最右侧的一条曲线），测试中通常保持电枢电流 I=I_N。

图4 同步发电机零功率因数负载特性

　　当电机容量较大时，由曲线逐点测取所要求的负载条件的作法代价很高。实用的作法是将电机并入电网作空载运行，调节励磁电流使电枢输出无功电流为I_N，则得曲线上的额定点Q。再做电机的短路试验，测得 I_k=I_N时的励磁电流为 Ifk，又得曲线上另一点，即短路点，工程中有这两点就够用了。

　　（1）零功率因数负载下的电磁关系

　　由于同步电机是在电感负载下运行，而电机本身的阻抗也是电感性的，因此，电势和电流之间夹角ψ=90°，所以电枢反应是纯粹的直轴去磁效应。

　　同步发电机在电感负载下运行，磁极磁势补偿了电枢反应去磁磁势后，剩余部分在电机气隙内产生磁通。所以励磁电流增加时，磁路能逐渐饱和，电压上升逐渐缓慢，使曲线弯曲，实际上，零功率因数特性曲线的形状与空载特性曲线颇为类似。

　　纯感性负载，纯去磁作用的电枢反应 F_aq=0， F_ad=Fa_a

　　端电压

　　在上图中我们可以看出，当U=0时的情况。在空载特性上， U=0 时，i_f=0；而在零功率因数曲线上，U=0 时，i_f = O_C。为什么在零功率因数曲线上，电压为零时，励磁电流不为零呢？

　　（1）零功率因数特性是在 U=0定值条件下得到的，由于绕组中流过电流，产生漏抗压降I_Xσ，所以需要一定励磁电流，以产生电势来平衡此漏电抗压降。

　　（2）零功率因数曲线是在纯电感负载下得到的，从图右以看出，此时的电枢反应是一个纯粹的去磁作用，所以再需要一定的励磁电流来抵消此电枢反应去磁作用的影响。

图5 同步发电机零功率因数负载特性的特性三角形

　　ΔABC称为特性三角形，它的垂直边是定子漏抗压降，水平边是电枢反应去磁磁势，这两边都正比于电枢电流，因此在电枢电流一定时，此特性三角形的大小不变。所以当特性三角形的A点在空载特性上移动时，C点的轨迹就是零功率因数特性。当然也可以用作图的方法求特性。

　　4．外特性：

　　（1）定义：在 n=n₁，I_f=常数，cos＝常数 的条件下，同步发电机作单机运行，端电压U随负载电流而变化的关系特性曲线U=f（I）。

　　（2）感性负载，阻性负载电枢反应有去磁的作用，曲线下降

　　容性负载，助磁电枢反应，曲线为上升。

图6 同步发电机外特性

　　（3）电压变化率的概念

　　发电机在额定负载下I=I_N，，U=UN运行时的励磁电流称为额定励磁电流。保持此励磁和转速不变，卸去负载，读取空载电动势的电压变化率

　　△U％是发电机性能的重要数据，以前人口调节励磁时对△U％要求较严，而现代有快速的自动

　　调压装置，△U％放宽一些，但

　　汽轮机△U％（30－485）

　　凸极机△U％（18－30％）

　　5．调整特性：

　　调整特性：n=n₁， U=const，cos=const，作单机运行，负载电流I与励磁电流I_f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；

　　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。

图6 同步发电机调整特性