同步機(jī)23章運(yùn)行.ppt

第五篇 同步機(jī),第23章 同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行（簡(jiǎn)稱并行、 并聯(lián)、運(yùn)行） 23.1 并行的條件和方法 23.2 功角特性 23.3 有功調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定 23.4 無功調(diào)節(jié),23.1.1 并聯(lián)的背景知識(shí) 23.1.2 理想并行總條件 23.1.3 理想并行分條件 23.1.4 實(shí)際并行的方法,23.1 同步發(fā)電機(jī)并行的條件和方法,1 什么是并聯(lián)？ 把各機(jī)的A相都接到母線A上，各機(jī)的B相都接到母線B上，各機(jī)的C相都接到母線C上。圖示的是單相示意圖。,23.1.1 并行的背景知識(shí),2 并聯(lián)的環(huán)路、環(huán)流 并聯(lián)會(huì)形成天然的環(huán)路。 空載時(shí)環(huán)路中存在的電流叫環(huán)流。,3 無窮大電網(wǎng)相當(dāng)于一臺(tái)內(nèi)阻抗為零的發(fā)電機(jī)-其電壓恒等于其電勢(shì)-見左圖右下角。,無環(huán)流-回路總電勢(shì)為零：,23.1.2 理想并行總條件-無環(huán)流,1 相序一致；分析見后 2 幅值一致；分析見后 3 頻率一致；分析見后 4 相位一致。分析見后,23.1.3 理想并行分條件：如何做到無環(huán)流？,要想實(shí)現(xiàn),無環(huán)流條件分析之一：相序一致,首先必須保證發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)的相序一致。如果相序不一致，則上述兩個(gè)電勢(shì)就屬于不同的相，二者之間就有120的相位差。合成電勢(shì)不為零。不僅不為零，而且數(shù)值很大，達(dá)到線電勢(shì)的數(shù)值-所生環(huán)流特別巨大，會(huì)很快燒毀發(fā)電機(jī)。,要想實(shí)現(xiàn),無環(huán)流條件分析之二：幅值一致,其次必須保證發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)的電勢(shì)幅值一致。如果幅值不一致，兩電勢(shì)雖同相，合成電勢(shì)仍不為零。如圖示。以為發(fā)電機(jī)的電勢(shì)，一為無窮大電網(wǎng)的電勢(shì)。環(huán)流大小（危害程度）取決于幅值相差的大小。,要想實(shí)現(xiàn),無環(huán)流條件分析之三：頻率一致,第三必須保證發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)的電勢(shì)頻率一致。如果頻率不一致，則合成電勢(shì)是個(gè)變量，時(shí)而為零，時(shí)而不為零。環(huán)流亦然。,要想實(shí)現(xiàn),無環(huán)流條件分析之四：相位一致,第四必須保證發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)的電勢(shì)相位一致。如果相位不一致，兩電勢(shì)雖相等，合成電勢(shì)仍不為零，如圖所示。從而環(huán)流亦不為零。,23.1.4 實(shí)際并行的方法,實(shí)際并行有兩種方法： 1 準(zhǔn)確同步法-了解即可 各項(xiàng)理想并行條件均達(dá)到時(shí)，投入并行。 2 自整步法-了解即可 僅相序一致，其它條件基本一致時(shí)就投入并行。,23.2 同步發(fā)電機(jī)的功角特性,1 功角特性的定義 2 功角特性的用途 3 凸極機(jī)功角特性的表達(dá)式 4 凸極機(jī)功角特性的相關(guān)術(shù)語 5 凸極機(jī)功角特性的圖形 6 隱極機(jī)功角特性的表達(dá)式 7 隱極機(jī)功角特性的圖形 8 電樞電阻的影響-不要求,23.2 同步發(fā)電機(jī)的功角特性,同步發(fā)電機(jī)的功角特性是指E0和U保持不變時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率與功率角之間的關(guān)系Pe=f()。 功是什么功？-電磁功率 角是什么角？-功率角,1 功角特性的定義,2 功角特性的用途,功角特性可以用來研究同步電機(jī)接在電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)發(fā)出的有功功率，并進(jìn)一步揭示機(jī)組的穩(wěn)定性和闡明發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。 詳后。,3 凸極機(jī)功角特性的表達(dá)式,以凸極機(jī)為例。隱極機(jī)可作為凸極機(jī)的特例處理。 不計(jì)電樞電阻。此時(shí)，電磁功率（E0發(fā)出的功率）= 輸出功率。,由下頁的相量圖可知：,由下面的相量圖可知：,3 凸極機(jī)功角特性的表達(dá)式：續(xù)1,3 凸極機(jī)功角特性的表達(dá)式：續(xù)2,4 凸極機(jī)功角特性的相關(guān)術(shù)語,凸極機(jī)功角特性表達(dá)式中第一項(xiàng)Pe1稱為基本電磁功率，第二項(xiàng)Pe2稱為附加電磁功率。附加電磁功率與E0（即勵(lì)磁）的大小無關(guān)，且僅當(dāng)XdXq時(shí)才存在，是由交、直軸磁阻不相等的凸極效應(yīng)所引起，亦稱為磁阻功率。 沒有勵(lì)磁繞組的同步電機(jī)稱為磁阻電機(jī)。,術(shù)語： 基本電磁功率 附加電磁功率 磁阻功率,5 凸極機(jī)功角特性的圖形 -對(duì)圖形的描述見下頁。,術(shù)語： 基本電磁功率 附加電磁功率 （磁阻功率）,當(dāng)=90時(shí)，基本電磁功率達(dá)到其最大值。 當(dāng)=45時(shí)，附加電磁功率達(dá)到其最大值。 總的電磁功率在=4590之間達(dá)到最大值，其具體位置和數(shù)值視Pe1(max)和Pe2(max)的相對(duì)大小而定。 發(fā)電機(jī)狀態(tài)：0180時(shí)，電磁功率為正值。 電動(dòng)機(jī)狀態(tài)：-1800時(shí)，電磁功率為負(fù)值。,5 凸極機(jī)功角特性的圖形：續(xù)1 -對(duì)圖形的描述。,6 隱極機(jī)功角特性的表達(dá)式,7 隱極機(jī)功角特性的圖形,8 電樞電阻的影響-不要求,23.3 有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定,23.3.1 有功功率的調(diào)節(jié) 23.3.2 靜態(tài)穩(wěn)定,23.3.1 有功功率的調(diào)節(jié),發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的目的，就是要向電網(wǎng)輸出有功功率、無功功率。如圖所示，這里以隱極電機(jī)為例，說明一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)有功功率的調(diào)節(jié)。為簡(jiǎn)化分析，不計(jì)電樞電阻和磁飽和。,23.3.1 有功功率的調(diào)節(jié)：續(xù)1,如圖所示，并行開始時(shí)， 相量E0=相量U 功率角=0 發(fā)電機(jī)輸出有功功率為0 發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te=0 發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài) 原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩只需克服發(fā)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩。,23.3.1 有功功率的調(diào)節(jié)：續(xù)2,如圖所示。開大汽輪機(jī)的汽門，則原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1增大，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子瞬時(shí)加速。與轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電勢(shì)相量E0將超前電網(wǎng)電壓相量U以角，同時(shí)產(chǎn)生電樞電流相量I。 據(jù)功角特性，此時(shí)發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生一定的電磁功率，向電網(wǎng)輸出一定的有功功率，同時(shí)作用于轉(zhuǎn)子一個(gè)制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，與增加的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡，發(fā)電機(jī)仍為同步速。發(fā)電機(jī)此時(shí)處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。,23.3.1 有功功率的調(diào)節(jié)：續(xù)3,由上可見，要增加發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，必須增加原動(dòng)機(jī)的輸入功率，使功率角增大，電磁功率和輸出功率相應(yīng)增大。 簡(jiǎn)言之，調(diào)節(jié)有功靠汽門。 這一分析，符合能量守恒定律。,23.3.2 靜態(tài)穩(wěn)定,1 穩(wěn)定的背景知識(shí)：平衡、穩(wěn)定 2 靜態(tài)穩(wěn)定的定義 3 靜態(tài)穩(wěn)定的分析準(zhǔn)備：從功角 特性到矩角特性 4 靜態(tài)穩(wěn)定的分析 5 整步功率系數(shù) 6 過載能力,1 穩(wěn)定的背景知識(shí)：平衡、穩(wěn)定,什么叫平衡？ 牛頓第一定律說：勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、靜止?fàn)顟B(tài)這兩種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。 什么叫穩(wěn)定？ 平衡有兩種，一種是穩(wěn)定平衡，一種是不穩(wěn)定平衡。如圖所示。 可見，穩(wěn)定是用來描述平衡的。經(jīng)得起擾動(dòng)的平衡，叫做穩(wěn)定平衡。經(jīng)不起擾動(dòng)的平衡叫做不穩(wěn)定平衡。,2 靜態(tài)穩(wěn)定的定義,發(fā)電機(jī)在某一狀態(tài)下并行。設(shè)外界（電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)）給發(fā)電機(jī)一個(gè)微擾（微小的擾動(dòng)）。如果微擾消失后，發(fā)電機(jī)能回到原先的狀態(tài)，那么該狀態(tài)是靜態(tài)穩(wěn)定的；否則，該狀態(tài)是靜態(tài)不穩(wěn)定的。,3 靜態(tài)穩(wěn)定的分析準(zhǔn)備：從功角特性到矩角特性,發(fā)電機(jī)的矩角特性，指的是E0和U保持不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與功率角之間的關(guān)系。 發(fā)電機(jī)的功角特性，指的是E0和U保持不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁功率與功率角之間的關(guān)系。 比較二者可見，只要在功角特性表達(dá)式的兩邊同時(shí)除以同步角速度，即得矩角特性表達(dá)式。 顯然，矩角特性的圖形亦為正弦形。與功角特性圖形比較，只是縱坐標(biāo)的比例不同而已。,3 靜態(tài)穩(wěn)定的分析準(zhǔn)備：從功角特性到矩角特性 續(xù)1,完全類似地，只要在原動(dòng)機(jī)功角特性表達(dá)式的兩邊同時(shí)除以同步角速度，即得原動(dòng)機(jī)矩角特性表達(dá)式。 顯然，與原動(dòng)機(jī)功角特性相似，原動(dòng)機(jī)矩角特性的圖形亦為一條水平線。表示原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩二者均與發(fā)電機(jī)的功率角無關(guān)。,4 靜態(tài)穩(wěn)定的分析,如圖示，設(shè)發(fā)電機(jī)原先在A點(diǎn)運(yùn)行，=A 0A90。電磁轉(zhuǎn)矩為Te。若此時(shí)原動(dòng)機(jī)給一微擾T1，則功率角將增大，電磁轉(zhuǎn)矩將相應(yīng)地增加Te。它抑制功率角的進(jìn)一步增大。當(dāng)微擾消失，制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩使機(jī)組回到A點(diǎn)運(yùn)行。反之亦然。所以A點(diǎn)是穩(wěn)定的。 類似分析可知B點(diǎn)是不穩(wěn)定的。,5 整步功率系數(shù) 為了衡量穩(wěn)定程度，引入整步功率系數(shù)k。,當(dāng)90時(shí)，k0，發(fā)電機(jī)是穩(wěn)定的。越接近90， k越小，穩(wěn)定程度也越低。當(dāng) = 90時(shí)， k=0，達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極限。當(dāng)90時(shí)，k0，發(fā)電機(jī)就變?yōu)椴环€(wěn)定。k與的關(guān)系曲線如圖中虛線所示。,6 過載能力 發(fā)電機(jī)的最大電磁功率與額定功率之比稱為過載能力，記為kP。,為使穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)額定功率要小于最大電磁功率。額定情況下，汽輪發(fā)電機(jī)的功率角一般為N3040，而kp1.62.0。,23.4 無功功率的調(diào)節(jié),1 無功調(diào)節(jié)的背景 2 無功調(diào)節(jié)的假定 3 無功調(diào)節(jié)的相量圖 4 正勵(lì)、過勵(lì)、欠勵(lì) 5 穩(wěn)定極限 6 解釋無功調(diào)節(jié)的磁勢(shì)平衡理論 7 V形曲線的定義 8 V形曲線的基本解讀 9 V形曲線的高級(jí)解讀,1 無功調(diào)節(jié)的背景,電網(wǎng)上一般都帶有大量的電感性負(fù)載，因此需要一定的無功功率。 并聯(lián)在電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)不僅要向電網(wǎng)輸出有功功率，而且還要輸出無功功率。 這里仍以隱極電機(jī)為例，說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，無功功率的調(diào)節(jié)。,2 無功調(diào)節(jié)的假定,1）不計(jì)電樞電阻； 2）不計(jì)磁飽和的影響； 3）調(diào)節(jié)勵(lì)磁前、后，原動(dòng)機(jī)的輸入有功功率保持不變。 根據(jù)功率平衡關(guān)系，發(fā)電機(jī)的電磁功率也應(yīng)近似保持不變，于是有：,3 無功調(diào)節(jié)的相量圖,由于電網(wǎng)電壓U、發(fā)電機(jī)的相數(shù)m和同步電抗Xs均為定值，所以據(jù)上式有：,4 正勵(lì)、過勵(lì)和欠勵(lì),當(dāng)功率因數(shù)cos=1時(shí)，勵(lì)磁電流If稱為正常勵(lì)磁，簡(jiǎn)稱正勵(lì)。,此時(shí)發(fā)電機(jī)的電樞電流全部為有功電流； 輸出功率全部為有功功率。,4 正勵(lì)、過勵(lì)和欠勵(lì)：續(xù)1,在正勵(lì)的基礎(chǔ)上：,如果增加勵(lì)磁電流，使IfIf，從上圖可見，此時(shí)的電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓，電樞電流中除有功分量外，還有滯后的無功分量；換言之，發(fā)電機(jī)除輸出有功功率外，還將輸出滯后的無功功率。此時(shí)的發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)稱為過勵(lì)。 如果減少勵(lì)磁電流，使IfIf，從上圖可見，此時(shí)的電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓，電樞電流中除有功分量外，還有超前的無功分量；換言之，發(fā)電機(jī)除輸出有功功率外，還將輸出超前的無功功率。此時(shí)的發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)稱為欠勵(lì)，也稱進(jìn)相運(yùn)行。,5 穩(wěn)定極限,如果在欠勵(lì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少勵(lì)磁電流，直到=90，則發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的極限。如再減少勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)則不能穩(wěn)定運(yùn)行。,6 解釋無功調(diào)節(jié)的磁勢(shì)平衡理論,發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，其端電壓恒定。因此，無論勵(lì)磁如何變化，電樞繞組的合成磁通基本不變。 過勵(lì)時(shí)，主磁通增多，為維持電樞繞組的合成磁通不變，發(fā)電機(jī)應(yīng)輸出滯后電流，使去磁性的電樞反應(yīng)增加，以抵消過多的主磁通。 欠勵(lì)時(shí)，主磁通減少，為維持合成磁通不變，發(fā)電機(jī)必須輸出超前電流，使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃判?，以補(bǔ)償主磁通的不足。,7 V形曲線的定義,電網(wǎng)電壓、輸出功率不變時(shí)，電樞電流I與勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線I=f(If)稱為V形曲線。如圖示。因狀似V字，故得此名。,8 V形曲線的基本解讀,1固定電網(wǎng)電壓，改變電磁功率，可得出一族V形曲線。 2空載V形線：最低的V形曲線對(duì)應(yīng)于Pe=0，也稱空載V形線，它表征空載狀況。功率加大時(shí)，曲線上移。 3正勵(lì)與幺功因線：每條曲線的最低點(diǎn)表示cos=1，此時(shí)電樞電流最小，全部為有功分量，此時(shí)勵(lì)磁是正勵(lì)。將各曲線最低點(diǎn)連接起來得到一條幺功因線，它略微右傾。它為什么略微右傾呢？思考 4過勵(lì)：幺功因線的右側(cè)為過勵(lì)狀態(tài)，功因滯后。 5欠勵(lì)：幺功因線的左側(cè)為欠勵(lì)狀態(tài)，功因超前。 6穩(wěn)定極限：當(dāng)勵(lì)磁減小至圖左虛線時(shí)，電機(jī)將出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。圖左虛線表示穩(wěn)定極限。發(fā)電機(jī)欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意控制勵(lì)磁，以防不穩(wěn)。,9 V形曲線的高級(jí)解讀 9.1幺功因線為何略微右傾？,略微右傾表示：同樣是正勵(lì)，隨著電樞電流的增大，勵(lì)磁電流也要增大，但僅是略微增大。 原因如下：幺功因意味著外功因角為零。由于存在漏抗，故內(nèi)功因角0不為零。因而電樞反應(yīng)具有去磁性。由于漏抗很小，故這個(gè)去磁性是很弱的。為了克服這個(gè)弱弱的去磁效應(yīng)，勵(lì)磁電流必須略微地增加。故幺功因線略微地右傾。,9 V形曲線的高級(jí)解讀：續(xù)1 9.2 最低V形線上功因角如何取值？,答：取值分三種情形：0，+90，-90。 最低V形線上的最低點(diǎn)。此點(diǎn)I=0,值似乎 不定。但因此點(diǎn)位于幺功因線上，故可認(rèn) 為=0。 最低V形線的右枝：此時(shí)I0、Pe=0，故 cos=0=+90。 最低V形線的左枝：此時(shí)I0、Pe=0，故 cos=0=-90。,9 V形曲線的高級(jí)解讀：續(xù)2 9.3 負(fù)載V形線上功因角如何取值？,答： 值分三種情形：左負(fù)右正，底點(diǎn)為0。 最低點(diǎn)位于幺功因線上：故=0。 最低點(diǎn)的右側(cè) Icos不變： I增cos降 從0向+90連續(xù)變化。 最低點(diǎn)的左側(cè) Icos不變： I增cos降 從0向-90連續(xù)變化。,9 V形曲線的高級(jí)解讀：續(xù)3 9.4 穩(wěn)極線為何與縱標(biāo)斜交？,答：穩(wěn)極線由穩(wěn)極點(diǎn)組成。以頂部穩(wěn)極點(diǎn)為參照，觀察Pe減小時(shí)穩(wěn)極點(diǎn)坐標(biāo)的變化。 橫標(biāo)：當(dāng)Pe減小時(shí)，E0sin減小。到達(dá)穩(wěn)極時(shí)，sin=1，故穩(wěn)極時(shí)的E0變小，因而If變小。 縱標(biāo)：看右圖。 U不變，E0變小致IXs變小 I變小。 可見，隨著Pe的減小，穩(wěn)極點(diǎn)向左下移動(dòng)，即穩(wěn)極線與縱標(biāo)斜交。,9 V形曲線的高級(jí)解讀：續(xù)4 9.5 如何理