特性曲線、同步電抗

• 發電機的特性曲線
• 發電機的特性曲線分基本特性和運行特性
• 基本特性有空載特性和短路特性
• 運行特性有調整特性和外特性

發電機的空載特性曲線是發電機在額定轉速空載運行時，發電機端電壓和勵磁電流的關係曲線【如圖中(紅色)勵磁曲線】，即Eo = $f(Ie)$。由於發電機空載運行時的端電壓等於空載電壓，因此它也是空載電壓Eo與勵磁電流Ie的關係曲線。表示了空載時氣隙磁通與勵磁磁通勢的關係，即φ=$\ f(Fe)$ (發電機的磁化特性曲線)，表示了發電機空載時電與磁的關係。

在空載特性曲線上當電壓較低時定子電壓與轉子電流成正比。接近額定電壓時鐵芯開始飽和，曲線彎曲。Feo(Ieo)為空載額定電壓Un所需的勵磁磁通(電流)，該磁勢一部分消耗在鐵芯內(AB段)，另一部分則消耗在氣隙內。這說明空載額定電壓時，由於磁路飽和，發電機電壓要達到額定值所需的勵磁磁通勢比未飽和時增加了。磁路的飽和程度用飽和係數Ku = Ieo / I’eo來表示，其數值一般約1.1~1.25。

空載特性測試 【如圖中(紅色)勵磁曲線】

• 【如圖】同步發電機運行于同步轉速時，將電樞繞組三相的端點持續短路然後加上勵磁電流，稱為短路運行。這時端電壓E=0，如果改變勵磁電流，則電樞短路電流的有效值也改變。短路特性就是指二者之間的關係。

• 短路運行時，Ik和勵磁電勢Eo 之間的相位差僅受同步電抗 Xs 和繞組本身電阻的制約，在忽略繞組電阻時，Ik 將滯後於 Eo90 電角度，交軸分量=0，其電樞反應表現為純去磁作用。【如圖】

• 去磁作用減少了電機中的磁通，磁路處於不飽和狀態，勵磁電勢Eo. 和勵磁電流之間在數量上呈線性關係【如圖中藍色線】。由於短路電流 Ik=-jEo / Xs，所以Ik和勵磁電流If在數量也呈線性關係，短路特性就是一條通過原點的直線。
• 可見，穩態短路時，電機中的電樞反應為純去磁作用，電機的磁通和感應電勢較小，短路電流也不會過大，所以三相穩態短路運行沒有危險。

發電機運行時其端電壓是隨負載變化而變化的。當發電機帶載運行並且功率因數恆定時，要保持其端電壓不變，就必須隨定子電流I的變化調節勵磁電流Ie。由此可測取定子電流與轉子電流的關系曲線，得到發電機的調整特性Ie=f(I)【如圖】。

Ieo為發電機空載額定電壓時的勵磁電流。功率因數滯後時，隨轉子電流增加，去磁作用增強，要維持端電壓恆定，勵磁電流也必須增加，以增強轉子的勵磁磁通。在超前的功率因數下，定子電流增加，由於電樞反應的增磁作用，勵磁電流一般還要下降。

• 外特性是指：固定勵磁電流，COS$\psi$爲常數的條件下，同步發電機作單機運行時，端電壓隨負載電流而變化的關係。
• 外特性曲線的走向和負載的性質有關。對於電感性負載(P.F 落後)，在勵磁電流不變的情況下，隨著電樞電流的增大，有兩個因素導致端電壓下降，其一是電樞反應的去磁作用的增強，其二是漏抗壓降的增大，所以電感性負載時，同步電機的外特性是下降的曲線。 對於P.F 超前的電容性負載，電樞反應表現為增磁作用，隨著電樞電流的增大，端電壓反而增大。【如圖】
• 電壓調整率：發電機的端電壓隨著負載電流的改變而變，保持額定運行時的勵磁電流和轉速不變，將發電機的完全卸載，發電機的端電壓將由Un 變化為空載電勢Eo，電壓變化的幅度可以用電壓調整率來表示。
• ${\Delta}U = \dfrac{E_0 - U_N}{U_N}$ × 100%

${\Delta}U$是發電機的性能指標之一，一般規定應不大於40%。

特性測試的重要性

由空載、短路特性可以求取發電機的重要參數，如同步電抗的不飽值、漏電抗、短路比、電機滿載所需最大勵磁電流等;此曲線也可以用了診斷定子、轉子回路是否完好。因此，發電機組裝完畢和每次大修後，都要測取這兩條曲線。

• 短路比:是空載額定電壓的勵磁電流下三相穩態短路時的短路電流與額定電流之比。由於短路特性為一直線，故其數值也為產生空載額定電壓(Un)和產生額定短路電流(In)所需的勵磁電流之比。
• 短路比 K = I/In = Ieo/Ies      ∵Xd=InXd/Un       ∴ K = Ku(1/Xd)
  (Ku = 飽和系數)

因此短路比是一個考慮了飽和影響的參數，它反映了同步電抗值和電機定、轉子之間隙大小，其數值對發電機運行性能及其體積、造價都有直接影響。

利用短路特性和空載特性求取同步電抗