同步发电机和变压器的电压调整率比较

第４５卷　第７期　Ｉｋ＇Ｉ｝机　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．７　２０１２钽　７月　ＭＩＣＲ０Ｍ０Ｔ０ＲＳ　Ｊｕ１．２０１２　同步发电机和变压器的电压调整率比较　程小华　（华南理工大学电力学院，广州５１０６４０）　摘要：比较了同步发电机和变压器电压调整率△ｕ的同异，解释了产生差异的原因。△ｕ定义形式相同为它们的共　同点。差异点有五点：１）变压器的△　有额定、非额定之分；而同步发电机的△ｕ只有额定。２）△ｕ定义的状态过渡　方向不同。３）△ｕ计算式不同。４）变压器的△“可以等于零，而同步发电机的△　则不可能等于零。５）额定△ｕ的数　值，变压器的较小，同步发电机的较大。　关键词：电压调整率；同步发电机；变压器　中图分类号：ＴＭ３４１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—６８４８（２０１２）０７—００３７．０３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　Ｒａｔｅｓ　Ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｓｙｎｃｈｒｏｕｓ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ＣＨＥ　Ｇ　Ｘｉａｏｈｕａ　（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎｓ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｒａｔｅｓ　Ａｕ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｉｔｈ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎｓ　ｉｓ　ａｔ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ：Ａｕ’Ｓ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｓｔｙｌｅ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｒｅ　ａｔ　ｆｉｖｅ　ｐｏｉｎｔｓ：１）Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ’Ａｕ　ｈａｓ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｒａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－ｒａｔｅｄ；ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ’Ａｕ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｒａｔｅｄ　ｏｎｅ．２）Ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｄｉｒｅｃ—　ｔｉｏｎ　ｉｎ　Ａｕ’ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．３）Ａｕ’Ｓ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ａｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．４）Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ’Ａｕ　ｃａｎ　ｂｅ　ｚｅｒｏ，ｂｕｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ’Ａｕ　ｃａｎｎｏｔ　ｂｅ．５）Ａｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｔｅｄ　Ａｕ，ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ’ｉｓ　ｌａｒｇｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ’．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　０引言　１　同步发电机和变压器两者电压调整　电机学对同步发电机和变压器两者都有的基于　率的定义及其相同之处　外特性的性能指标——额定电压调整率，变压器给　同步发电机和变压器的电压调整率都是基于外　出了计算式，而同步发电机却没有¨Ｉ４　。那么，自　特性的。同步发电机和变压器的外特性分别如图１、　然要问：用来计算变压器额定电压调整率的公式，　图２所示。　是否适用于同步发电机呢？如果不适用，那么同步　发电机电压调整率的计算式又是怎样的呢？　本文指出：用来计算变压器额定电压调整率的　公式，不适用于同步发电机。本文将详细推导同步　发电机电压调整率的计算式，并对两者的电压调整　率进行详尽的比较。本文的讨论以隐极同步发电机　Ｄ　为例，且不考虑饱和。凸极同步发电机不难依此　图１　同步发电机的外特性　类推。　收稿日期：２０１１—０９—２９　作者简介：程小华（１９６３），男，博士，教授，主要从事电机基本理论特别是交流电机绕组理论、电机设计、电机控制以及新　型电机的研究。　・３　・　｜ｌＬ＇ｌ！如　４５卷　如图３所示，变压器的电压调整率之计算式为：　Ａｕ＝，　（Ｒｋ　ｃｏｓ￣ｐ２＋Ｘｋ　ｓｉｎ￣ｐ２）ｘ　１００％　图２变压器的外特性　图３变压器的简化相量图　同步发电机和变压器的额定电压调整率都是定　义为：空载点与额定负载点输出电压之差与额定电　同步发电机电压调整率的计算式，笔者所见的　压之比。　同步发电机的电压调整率定义：从额定负载点　出发，卸去负载，过渡到空载点，电压升高的数值　与额定电压的比值。同步机的额定负载点有四个特　征：额定输出电压、额定输出电流、额定输出功率　因数、额定励磁电流。同步发电机的空载点有两个　特征：输出电流为零、励磁电流为额定。　变压器的电压调整率定义：从空载点出发，加　上负载，过渡到负载点，电压降低的数值与额定电　压的比值。变压器的额定负载点有两个特征：额定　输出电流、额定输出功率因数。变压器的空载点有　两个特征：输出电流为零、输出电压为额定。　２　同步发电机和变压器两者电压调整　率的相异之处　（１）变压器的电压调整率有额定、非额定之分，而　同步发电机无此分别　同步发电机的电压调整率是定义在额定情形下　的。故同步发电机的电压调整率与同步发电机的额　定电压调整率是一回事。之所以这样是因为，变压　器常常工作在轻载，故要考虑负载系数的问题；而　同步发电机则常常工作在额定负载，不必考虑负载　系数的问题。　（２）电压调整率定义中的状态过渡方向不同、　电压变化参考方向不同　同步发电机额定电压调整率定义中规定：过渡　方向为“从额定负载点过渡到空载点”，电压变化参　考方向为“升高”。变压器电压调整率定义中规定：　过渡方向为“从空载点过渡到额定负载点”，电压变　化参考方向为“降低”。　之所以要这样定义是因为，一个具有唯一确定　输出电压的状态，更适合作为比较的对象。那个“具　有唯一确定输出电压的状态”，对同步发电机而言就　是额定负载状态，对变压器而言就是空载状态。　（３）电压调整率之计算式不同　所有《电机学》著作均未给出，下面推导之。　图４隐极同步发电机的典型相量图　由图４，据正弦定理，在隐极同步发电机额定　负载点有：　ｓｉｎ（９０。一　０）一ｓｉｎａ　Ｅ０　ｓｉｎ（９０。一　０）一ｓｉｎ（９０。一　）　Ｅｏ　一＝一　ｃｏｓ￣ｂ０　ｃ０ｓ　ＵＮＣＯＳ￣　Ｅ。一　＝　（　一１）　△Ｍ：（　。ＣＯＳＩ旦ｐｏ　一１）×１００％　上式就是隐极同步发电机电压调整率的计算式。　变压器与隐极同步发电机电压调整率计算式之　所以不同，是因为变压器的“功率角”（即原边电压　与副边电压之夹角，如图３所示）０很小，推导时可　以忽略二次项，电压调整率与负载系数成为线性关　系；而隐极同步发电机的功率角６较大，不能忽略　二次项，另一方面，同步发电机的电压调整率只有　额定负载一种情形，故电压调整率的计算式中没有　反映负载程度的输出电流标幺值（即负载系数）。因　此，二者电压调整率的计算式不可相互借用。　（４）变压器的电压调整率可能为零，而同步发　电机的则不可能为零　由变压器的电压调整率计算式可见，要实现变　７期　程小华：同步发电机和变压器的电压调整率比较　‘３９・　压器的电压调整率等于零，只需要满足下式即可：　０＝，　（Ｒｋ　ｃｏｓｑ￣２＋Ｘｋ　ｓｉｎ￣ｏ２）×１００％　即　ｔａｎｑ￣２－一输出电压的影响远大于漏磁效应的影响：变压器没　有电枢反应，只有漏磁效应；同步发电机既有漏磁　效应，更有电枢反应，而隐极同步发电机的电枢反　应强过凸极同步发电机的电枢反应。　筹　显然，这里的功率因数角代表一个容性负载。　这样的条件是容易满足的。　３　结　语　本文就电压调整率比较了同步发电机和变压器　的同异，解释了产生差异的原因。　共同点有一点：定义形式相同，都是定义为：　由隐极同步发电机电压调整率计算式可知，要　使得△　等于零，即：　０：ｆ　ｓ旦一１）×１００％　Ｃ０８￣／０　空载点与额定负载点输出电压之差与额定电压之比　率。也可称为“压差比”、“压差率”。　差异点有五点：１）变压器的电压调整率有额定、　非额定之分；而同步发电机只讲额定电压调整率。　２）电压调整率定义中的状态过渡方向不同、电压变　必有内外功率因数相等，即内外功率因数角相　等，即功率角６等于零，从而空载电动势与输出电　压同相位，空载电动势与输出电压之间的相量差变　为代数差。由△　等于零知此时空载电势等于输出电　压，从而输出电流为零。这与额定负载点特征之　一——化参考方向不同。３）电压调整率之计算式不同。４）　变压器的电压调整率可以等于零，而同步发电机的　电压调整率则不可能等于零。５）额定电压调整率的　额定输出电流——矛盾。故隐极同步发电机　的电压变化率△ｕ不可能为零。这一点，也可以直观　地直接从物理概念上得到理解：同步发电机额定负　载时的电枢反应，要么去磁，要么助磁；过渡到空　载后，电枢反应消失，空载电动势要么大于额定电　数值，变压器的较小，同步发电机的较大。　４昭许　许　圳　　．章　章　　．　参考文献　［１］　陈世元．电机学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４：８２．　压，要么小于额定电压；没有可能等于额定电压，　即同步发电机的电压调整率不可能为零。　（５）变压器额定电压调整率的数值较小，同步　电机学（上册）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８０　发电机的较大　变压器的额定电压调整率，一般约为５％；同　步发电机的电压调整率，一般约为３０％，其中凸极　同步发电机一般为１８％一３０％，隐极同步发电机一　般为３０％～４８％。之所以这样是因为，电枢反应对　电机学（下册）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８０　［４］　汤蕴璎，史乃．电机学［Ｍ］．２版．北京：机械工业出版社，　２００５：５８－５９，２５１－２５２．