同步發(fā)電機(jī)學(xué)習(xí)

同步發(fā)電機(jī)學(xué)習(xí)第1頁(yè)/共48頁(yè)10.1同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁場(chǎng)：空載運(yùn)行時(shí)定子（電樞）電流為零，電機(jī)氣隙中只有轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流If單獨(dú)產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Ff和磁場(chǎng)。主磁通φ1：勵(lì)磁磁通中既交鏈轉(zhuǎn)子繞組，又經(jīng)過(guò)氣隙交鏈定子繞組的部分。空載運(yùn)行：同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速n=n1=轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵(lì)磁電流而定子繞組開(kāi)路。定子三相繞組切割主磁通而感應(yīng)出頻率為f的一組對(duì)稱(chēng)三相交流電動(dòng)勢(shì)基波分量的有效值：式中N1——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

φ1——每極基波磁通，單位為Wb；

Kw1——基波電動(dòng)勢(shì)的繞組因數(shù)；

E0——電動(dòng)勢(shì)的基波分量有效值，單位為V。第2頁(yè)/共48頁(yè)改變轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流If，就可以相應(yīng)地改變主磁通φ1和空載電動(dòng)勢(shì)E0。曲線E0=f(If)稱(chēng)為發(fā)電機(jī)的空載特性。E0∝φ1，If∝Ff,改變坐標(biāo)后空載特性曲線也就可以表示為發(fā)電機(jī)的磁化曲線φ1=F(If)。說(shuō)明了兩個(gè)特性曲線具有本質(zhì)上的內(nèi)在聯(lián)系，任何一臺(tái)發(fā)電機(jī)的空載特性曲線實(shí)際上也反應(yīng)了它的磁化曲線,當(dāng)主磁通φ1較小時(shí)，磁路處于不飽和狀態(tài)，鐵心部分所消耗的磁壓降相比較，可略去,認(rèn)為絕大部分磁動(dòng)勢(shì)消耗于氣隙中，φ1∝Ff，所以空載曲線（磁化曲線）下部是一條直線。把它延長(zhǎng)后所得直線0G（曲線2）稱(chēng)為氣隙線。隨著φ1的增大，鐵心逐漸飽和，它所消耗的磁壓降不可忽略，此時(shí)空載曲線就逐漸變彎曲第3頁(yè)/共48頁(yè)設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，通常把發(fā)電機(jī)的額定電壓點(diǎn)設(shè)計(jì)在磁化曲線的彎曲處，如圖曲線1上a點(diǎn)，此時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為額定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff0。線段ab表示消耗在鐵心部分的磁動(dòng)勢(shì)。線段bc表示消耗在氣隙部分的動(dòng)勢(shì)Fδ0。E′0表示磁路不飽和時(shí)，對(duì)應(yīng)于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff0的空載電動(dòng)勢(shì)Ff0與Fδ0的比值反映發(fā)電機(jī)磁路的飽和程度，用Ks表示，稱(chēng)為飽和系數(shù)。通常，同步發(fā)電機(jī)的飽和系數(shù)Ks值約為1.1~1.25左右。第4頁(yè)/共48頁(yè)空載特性可以通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)得到。試驗(yàn)測(cè)定的方法與直流發(fā)電機(jī)類(lèi)似。同步電機(jī)的空載特性也常用標(biāo)么值表示，空載電勢(shì)以額定電壓為基值。用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性，不論電機(jī)容量的大小，電壓的高低，其空載特性彼此非常接近?？蛰d特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用：①將設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性與相應(yīng)數(shù)據(jù)相比較，如果兩者接近，說(shuō)明電機(jī)設(shè)計(jì)合理，反之，則說(shuō)明該電機(jī)的磁路過(guò)于飽和或者材料沒(méi)有充分利用。②空載特性結(jié)合短路特性可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。③發(fā)電廠通過(guò)測(cè)取空載特性來(lái)判斷三相繞組的對(duì)稱(chēng)性以及勵(lì)磁系統(tǒng)的故障。幾點(diǎn)補(bǔ)充第5頁(yè)/共48頁(yè)10.2同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)有負(fù)載時(shí)，除了勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)外，由于定子繞組中有電流流過(guò)，定子繞組將在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)—電樞磁動(dòng)勢(shì)。對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波對(duì)主極磁場(chǎng)基波的影響，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)。電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa與負(fù)載電流I同相所以研究Ff與Fa間的空間相對(duì)位置可以歸結(jié)為研究E0與I間的相位差φ（φ稱(chēng)為內(nèi)功率因數(shù)角）。電樞反應(yīng)的性質(zhì)主要取決于E0與I之間的相位差φ，亦即主要取決于負(fù)載的性質(zhì)。下面就φ角的幾種情況，分別討論電樞反應(yīng)的性質(zhì)?；úㄐ未笮∥恢棉D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)正弦波恒定，由勵(lì)磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定由原動(dòng)機(jī)決定電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時(shí)值決定由磁極對(duì)數(shù)和電流頻率決定由電流相序決定第6頁(yè)/共48頁(yè)一、I和E0同相（φ=0）時(shí)的電樞反應(yīng)當(dāng)φ=0°時(shí)，圖a中所示瞬間，U相繞組的軸線與主磁極的交軸（q軸）重合，此時(shí)U相繞組導(dǎo)體切割主磁通最多，故U相繞組勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)為最大值，其方向按右手定則確定。因?yàn)棣?0°，所以此瞬間U繞組中的電流也達(dá)到最大值。這時(shí)三相勵(lì)磁電支勢(shì)的電樞電流的相量關(guān)系如圖b所示。由交流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理可知，定子三相合成磁動(dòng)勢(shì)的幅值總是位于電流為最大值的一相繞組軸線上，可見(jiàn)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa滯后勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff90°。這種電樞磁動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，用Faq表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱(chēng)為交軸電樞反應(yīng)。由圖c可見(jiàn)，對(duì)主磁場(chǎng)而主，交軸電樞反應(yīng)在前極尖將起去磁作用，在后極尖則起增磁作用。對(duì)于氣隙磁場(chǎng)交軸電構(gòu)反應(yīng)將使合成磁場(chǎng)的軸線位置同步發(fā)電機(jī)原理圖從空載時(shí)的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個(gè)銳角，且幅值也有所增加。但因磁路的飽和現(xiàn)象，交軸電樞反應(yīng)有去磁作用。第7頁(yè)/共48頁(yè)

二、I滯后E090°（φ=90°）時(shí)的電樞反應(yīng)當(dāng)φ=90°時(shí)，定子各相電流的分布如圖a、b所示。此時(shí)U相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)雖為最大值。此時(shí)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置將如圖c、d所示，也就是說(shuō)U相電流達(dá)到最大值時(shí)，轉(zhuǎn)子已向前轉(zhuǎn)過(guò)90°，電樞磁動(dòng)勢(shì)的幅值恰好位于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的軸線上，但方向相反。此時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，用Fad表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱(chēng)為直軸電樞反應(yīng)，可見(jiàn)φ=90°時(shí)直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹去磁的。第8頁(yè)/共48頁(yè)三、I超前E090°（φ=90°）時(shí)的電樞反應(yīng)說(shuō)當(dāng)U相電流達(dá)到最大值時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的空間位置滯后φ=0°時(shí)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置90°。這時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)的幅值又位于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的軸線上，但兩者方向相同，其電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹增磁的，同樣也稱(chēng)為直軸電樞反應(yīng)。當(dāng)φ=90°時(shí)，定子各相電流的分布如圖a所示。此時(shí)U相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)雖為最大值，但電樞電流仍為零。U相電流在超前90°時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置交如圖c、d所示，也就是第9頁(yè)/共48頁(yè)

四、在一般情況下0°＜φ＜90°，I滯后E0一個(gè)銳角φ?qǐng)D示瞬間，U相的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)恰好達(dá)到最大值，但由于電樞電流I滯后勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0φ角，所示U相電流必須過(guò)了一段時(shí)間，等轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)φ空間電角度時(shí)（圖c所示位置）才能達(dá)到最大值，電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa的幅值才位于U相繞組的轉(zhuǎn)向位置上，此時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa滯后勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff(90＋φ)空間電角度。這時(shí)的電樞反應(yīng)既非交磁性質(zhì)也非純?nèi)ゴ判再|(zhì)，而是兼有兩種性質(zhì)。第10頁(yè)/共48頁(yè)將此時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa分解成直軸和交軸兩個(gè)分量，即Faq起交磁作用，F(xiàn)ad起去磁作用。此時(shí)的電樞反應(yīng)也可以這樣說(shuō)明，如將每一相的電樞電流I都分解Id和Iq兩個(gè)分量，即其中Iq與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0同相位，它們（指三相的該分量，即IQu、IqV、IqW）產(chǎn)生交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Faq分量Iq叫做I的交軸分量，而Id滯后勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E090°，它們產(chǎn)生直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Fad，把分量Id叫做I的直軸分量第11頁(yè)/共48頁(yè)電樞反應(yīng)是同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起有負(fù)載時(shí)端電壓變化的主原因，而且也是發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐?？紤]電樞反應(yīng)的作用，有負(fù)載時(shí)電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將由氣隙合成磁場(chǎng)建立。氣隙電動(dòng)勢(shì)減去定子漏阻抗壓降，便得到端電壓。通常發(fā)電機(jī)的負(fù)載為感性負(fù)載，電樞反應(yīng)含有去磁作用，使氣隙磁場(chǎng)削弱。相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)將小于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)。隨著負(fù)載的增加，必須增大勵(lì)磁電流。綜上所述第12頁(yè)/共48頁(yè)10.3同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行10.3.1凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式和相量圖一、凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式利用雙反應(yīng)理論和疊加原理進(jìn)行分析，即把電樞磁場(chǎng)分解為直軸和交軸電樞磁場(chǎng)，它們和勵(lì)磁磁場(chǎng)互相獨(dú)立地存在于同一磁路中，這些磁場(chǎng)各自在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這些電動(dòng)勢(shì)的總和便是每相繞組的氣隙合成電動(dòng)勢(shì)Eδ,Eδ減去定子漏阻抗壓降后，便得到發(fā)電機(jī)的端電壓。電磁關(guān)系式表達(dá)：勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff→φ1→E0直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fad→φad→EadEδ交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Faq→φaq→Eaq第13頁(yè)/共48頁(yè)式中E0—?jiǎng)?lì)磁磁動(dòng)勢(shì)（或空載電動(dòng)勢(shì)），由主磁磁通φ1產(chǎn)生Ead及Eaq——直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它們分別由直軸電樞反應(yīng)磁通φad和交軸電樞反應(yīng)磁通φaq產(chǎn)生。不計(jì)飽和，φad與φaq正比于Fad及Faq，又分別正比于電流Id及Iq即：滯后于，滯后于，可寫(xiě)成：式中Xad和Xaq——直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗。電樞回路的電動(dòng)勢(shì)方程：Eδ=E0+Ead+Eaq=U+I(Ra+jxσ

)第14頁(yè)/共48頁(yè)電樞磁動(dòng)勢(shì)不僅產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁通，還產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子無(wú)關(guān)的漏磁通φa，感應(yīng)漏磁通電動(dòng)勢(shì)Eσ：則由電樞回路的電動(dòng)勢(shì)方程式可得：式中Xd——直軸同步電抗，Xd=Xa+Xad;Xq——交軸同步電抗，Xq=Xa+Xaq。一般Xd＞Xq。第15頁(yè)/共48頁(yè)二、凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖同步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載，發(fā)電機(jī)的端電壓U、負(fù)載電流I和功率因數(shù)cosφ及參數(shù)Ra、Xd、Xq均勻已知，并假定已知φ，則按照上式可以畫(huà)出凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖Id滯后于OG90°，與OG同相。電阻壓降IRa與電流I同相，交軸同步電抗壓降MN=jIqXq及直軸同步電抗壓降NG=jIdXd分別超前電流Iq和Id90°,將U、IRa、jIdXd相量相加，即得勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0=OG。作圖過(guò)程如下：先畫(huà)出電壓U及電流I，作OG直線越前于電流I一個(gè)φ角，OG直線E0的方向。然后將電流I分解為直軸分量Id和交軸分量Iq，第16頁(yè)/共48頁(yè)實(shí)際上相量圖很難直接畫(huà)出，這是因?yàn)镋0和I之間相位差φ角是無(wú)法測(cè)定，這樣就無(wú)法把電流I分解成直軸和交軸分量，整個(gè)相量圖就作不出來(lái)。求出了內(nèi)功率因數(shù)有φ，便可以把電流I分解為直軸分量Id和交軸分量Iq作出相量圖：EQ與E0的關(guān)系：φ角：第17頁(yè)/共48頁(yè)10.3.2隱極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式和相量圖隱極同步發(fā)電機(jī)中，由于氣隙是均勻的，電樞反應(yīng)用電樞反應(yīng)電抗Xt表示：隱極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式：電動(dòng)勢(shì)相量圖：知U、I、Rα、Xt及cosφ，則可按上式求出相量E0。根據(jù)相量圖可計(jì)算E0值，即E0=EQ第18頁(yè)/共48頁(yè)10.3.3同步發(fā)電機(jī)的特性一、空載特性和短路特性1、空載特性空載特性：在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速（n=n1）、電樞開(kāi)路（I=0）的情況下，空載電壓（U0=E0）與勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線U0=f(If)?？蛰d特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一。表示征了發(fā)電機(jī)磁路的飽和情況下把它和短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性配合在一起，可以確定發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)、額定勵(lì)磁電流和電壓調(diào)整率等第19頁(yè)/共48頁(yè)2、短路特性短路特性：指發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下，電樞繞組端點(diǎn)三相短接時(shí)，電樞短路電流Ik與勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線。即n=n1,U=0時(shí)Ik=f(If)。短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)測(cè)得。試驗(yàn)時(shí)：發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，使電樞的短路電流從零開(kāi)始，一直到1.25IN左右為止，記取對(duì)應(yīng)的短路電流Ik和勵(lì)磁電流If，即可得到短路特性曲線短路試驗(yàn)的接線圖短路時(shí)由于電樞反應(yīng)的去磁作用，發(fā)電機(jī)中合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)數(shù)值很小，使磁路處于不飽和狀態(tài)，所以短路特性是一條直線第20頁(yè)/共48頁(yè)短路時(shí)：發(fā)電機(jī)的端電壓U=0，限制短路電流的僅是發(fā)電機(jī)的內(nèi)部阻抗。由于一般同步發(fā)電機(jī)的電樞電阻Ra遠(yuǎn)小于同步電抗，所以短路電流可認(rèn)為是純感性的，即φ≈90°。這時(shí)的電樞電流幾乎全部為直軸電流，它所產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)基本上是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動(dòng)勢(shì)，即Fa=Fad,Faq=0,此時(shí)電樞繞組的電抗為直軸同步電抗Xd，等效電路相量圖第21頁(yè)/共48頁(yè)二、外特性和調(diào)整特性1、外特性外特性是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，端電壓與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，即n=n1,If=常值時(shí)，U=f(I)。感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時(shí)，外特性都是下降的（曲線1、2）。因?yàn)檫@兩種情況下電樞反應(yīng)均有去磁作用，此外定子漏阻抗壓降也引起一定的電壓下降。容性負(fù)載時(shí)，電樞反應(yīng)是增磁的，因此端電壓U隨負(fù)載電流I的增大反而升高，外特性則是上升的（曲線3）。不同功率因數(shù)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的外特性第22頁(yè)/共48頁(yè)從外特性曲線上可求出發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率△U*(見(jiàn)下圖）調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使額定負(fù)載時(shí)（I=IN，cosφ=cosφN）發(fā)電機(jī)的端電壓額定電壓UN，此時(shí)的勵(lì)磁電流稱(chēng)為額定勵(lì)磁電流IfN。然后保持勵(lì)磁和轉(zhuǎn)速不變，卸去負(fù)載，此時(shí)端電壓升高的標(biāo)么值就稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率，用△U*表示，要求已大為放寬，為防止卸載時(shí)電壓劇烈上升，以致?lián)舸├@組絕緣，所以△U*應(yīng)小于50%。近代凸極發(fā)電機(jī)的△U*大體在18%~30%以?xún)?nèi)。汽輪發(fā)電由于電樞反應(yīng)較大，故△U*也較大，大體在30%~48%范圍內(nèi)（均為cosφN=0.8滯后）。電壓調(diào)整率是表征同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的重要數(shù)據(jù)之一。近代同步發(fā)電機(jī)大多數(shù)均配有快速自動(dòng)調(diào)壓裝置，因而對(duì)△U*第23頁(yè)/共48頁(yè)2、調(diào)整特性當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，為保持端電壓不變，必須同時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)其端電壓和功率因數(shù)不變時(shí)，負(fù)載電流變化時(shí)其勵(lì)磁電流的高速特性曲線就稱(chēng)為發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性，即n=n1,U=常值，cosφ=常值時(shí)，If=f(I)。容性負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載的增加，必須相應(yīng)地減小勵(lì)磁電流，以維持端電壓恒定（曲線3），則曲線是不下降的。一常值，勵(lì)磁電流必須相應(yīng)增大。因此這兩種情況下的調(diào)整特性都是上升的（曲線1和2）。感性和純電阻性負(fù)載時(shí)，為了克服負(fù)載電流所產(chǎn)生的去磁電樞反應(yīng)和阻抗壓降，隨著負(fù)載的增加，要保持端電壓為不同負(fù)載性質(zhì)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性第24頁(yè)/共48頁(yè)三、穩(wěn)態(tài)功角特性穩(wěn)態(tài)功角特性:指同步發(fā)電機(jī)接在網(wǎng)上穩(wěn)態(tài)對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁功率PM與功率角δ之間的關(guān)系。所謂功率角就是指勵(lì)磁電勢(shì)E0與端電壓U之間的相位角δ。由于現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組小于同步電抗，故可把Ra忽略不計(jì)，則發(fā)電機(jī)的凸極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性隱極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性第25頁(yè)/共48頁(yè)凸極發(fā)電機(jī)功角特性曲線凸極發(fā)電機(jī)的功角特性分兩部分:附加電磁功率的特點(diǎn):凸極發(fā)電機(jī)第26頁(yè)/共48頁(yè)隱極發(fā)電機(jī)的功角特性曲線隱極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性的特點(diǎn):隱極發(fā)電機(jī)第27頁(yè)/共48頁(yè)1)是電動(dòng)勢(shì)和電壓間的時(shí)間相位角;或稱(chēng)是勵(lì)磁磁勢(shì)和合成磁勢(shì)間的空間夾角。2)是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的主磁通和產(chǎn)生電壓的電樞等效假想磁通之間的夾角。功角的雙重物理意義補(bǔ)充第28頁(yè)/共48頁(yè)用圖示功角的雙重物理意義第29頁(yè)/共48頁(yè)

轉(zhuǎn)子因有原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩克服定子合成磁極的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而作功,實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,將由原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觥?/p>

可見(jiàn)，功角是研究同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅決定了發(fā)電機(jī)輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對(duì)空間位置，通過(guò)它把同步電機(jī)的電磁關(guān)系和機(jī)械運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系起來(lái)。第30頁(yè)/共48頁(yè)10.4同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行許多發(fā)電廠并聯(lián)在一起時(shí)，形成強(qiáng)大的電網(wǎng)，因此負(fù)載變化對(duì)電壓和頻率的影響就很小，從而提高了供電的質(zhì)量和可靠性。并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)點(diǎn):可以根據(jù)負(fù)載的變化來(lái)調(diào)節(jié)投入運(yùn)行的機(jī)組數(shù)目，提高機(jī)組的運(yùn)行效率便于輪流檢修，提高供電的可靠性，減少發(fā)電機(jī)檢修和事故的備用容量。對(duì)于由火力電廠和水力發(fā)電廠聯(lián)合組成的電力系統(tǒng)，并聯(lián)運(yùn)行尚可達(dá)到合理調(diào)度電能，充分利用水能，使發(fā)電成本降低的目的。第31頁(yè)/共48頁(yè)10.4.1并聯(lián)運(yùn)行的條件同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)合閘時(shí)，為了避免產(chǎn)生巨大原沖擊電流，以防止同步發(fā)電機(jī)愛(ài)到損壞，電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾，應(yīng)滿足下列條件：1）發(fā)電機(jī)的電壓和電網(wǎng)電壓應(yīng)具有相同的有效值、極性和相位。并網(wǎng)操作時(shí)只需注意滿足第1）和2）項(xiàng)條件。安裝發(fā)電機(jī)時(shí)，根據(jù)發(fā)電機(jī)規(guī)定的轉(zhuǎn)向，確定發(fā)電機(jī)的相序得到滿足制造發(fā)電機(jī)時(shí)得到保證2）發(fā)電機(jī)電壓的頻率應(yīng)與電網(wǎng)的頻率相等。3）對(duì)三相發(fā)電機(jī)，還要求其相序和電網(wǎng)相一致。4）發(fā)電機(jī)的電壓波形應(yīng)與電網(wǎng)電壓波形相同，即均為正弦波形。第32頁(yè)/共48頁(yè)10.4.2有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)為了簡(jiǎn)化分析，設(shè)發(fā)電機(jī)為隱極機(jī)，不計(jì)磁路飽和，不計(jì)電樞電阻，且電網(wǎng)為“無(wú)窮大電網(wǎng)”。“無(wú)窮大電網(wǎng)”:指電網(wǎng)的容量相對(duì)于分析的同步發(fā)電機(jī)容量來(lái)說(shuō)要大很多。因此電網(wǎng)的電壓和頻率不會(huì)因并聯(lián)上去的同步發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)的影響而改變，即電網(wǎng)的電壓和頻率恒定為常值。實(shí)際上，電網(wǎng)上的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，總要引起電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)，只是波動(dòng)極微小，在定性分析中可忽略不計(jì)。在分析中都認(rèn)為電網(wǎng)電壓U=常數(shù)，電網(wǎng)頻率f=常數(shù)。第33頁(yè)/共48頁(yè)一、有功功率的調(diào)節(jié)增加輸入機(jī)械功率P1，使P1＞P0，則輸入功率扣除了空載損耗以后，其余部分將轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β?，即P1－P0=PM，發(fā)電機(jī)將輸出有功功率。這個(gè)過(guò)程從能量守恒觀點(diǎn)來(lái)看，發(fā)電機(jī)輸出有功功率是由原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換來(lái)的結(jié)論：要改變發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，必須相應(yīng)地改變由原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率。發(fā)電機(jī)整步過(guò)程結(jié)束處在空載運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率P1和空載損耗P0相平衡，電磁功率為零，即P1=Po，T==T0，PM=0，發(fā)電機(jī)處于平衡狀態(tài)。1)能量守恒觀點(diǎn)來(lái)看有功功率第34頁(yè)/共48頁(yè)結(jié)論：要調(diào)節(jié)與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)的有功功率，必須調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸入功率，這時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部會(huì)自行改變功率角δ，相應(yīng)地改變電磁功率和輸出功率，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。2)功率角δ的空間物理概念來(lái)加以說(shuō)明有功功率空載時(shí)E0=U。功率角δ=0，如圖a所示，電磁功率PM=0，此時(shí)氣隙合成磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的軸一重合，發(fā)電機(jī)無(wú)功率輸出。增加原動(dòng)機(jī)的輸入功率P1時(shí)，即增加發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩T1，這時(shí)T1＞T0，于是轉(zhuǎn)子就要加速，就使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)超前于氣隙合成磁場(chǎng)（即E0超前于U），也就是使功率角δ逐漸增大如圖b所示。δ角的增大引起電磁功率PM增大，發(fā)電機(jī)便輸出有功功率。當(dāng)δ增大到某一數(shù)值，使相應(yīng)的電磁功率達(dá)到PM=P1－P0（T1-T0）時(shí)，轉(zhuǎn)子加速的趨勢(shì)即停止，發(fā)電機(jī)便處于新的平衡狀態(tài)。第35頁(yè)/共48頁(yè)原動(dòng)機(jī)輸入功率的增加也不是無(wú)限制的對(duì)于隱極發(fā)電機(jī)，當(dāng)δ=90°時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值PMmax時(shí)，若再增加輸入功率，則δ＞90°，這時(shí)電磁功率將隨著δ的增大而減小，輸入功率扣除掉空載損耗和減小了的電磁功率后還有剩余，剩余的功率將使轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速，δ角繼續(xù)增大，電磁功率PM繼續(xù)減小，功率再不能保持平衡，發(fā)電機(jī)將“失去同步”，或叫做失去“靜態(tài)穩(wěn)定”。第36頁(yè)/共48頁(yè)靜態(tài)穩(wěn)定:指電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)方面出現(xiàn)某些微小擾動(dòng)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)能在這種瞬時(shí)擾動(dòng)消除后，繼續(xù)保持原來(lái)的平衡運(yùn)行狀態(tài)。就稱(chēng)這時(shí)的同步發(fā)電機(jī)是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是靜態(tài)不穩(wěn)定。3)靜態(tài)穩(wěn)定在a點(diǎn)運(yùn)行時(shí)電機(jī)具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。若干擾使功角δ增大到b點(diǎn)，Pm和Tm增大，迫使電機(jī)減速，功角δ變小，電機(jī)回到a點(diǎn)。干擾使功角δ減小時(shí)，有同樣結(jié)論。所以a點(diǎn)稱(chēng)為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。而d點(diǎn)為不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，分析略。綜上所述:凡處于功角特性曲線上升部分的工作點(diǎn)，都是靜態(tài)穩(wěn)定的，下降部分的工作都是靜態(tài)不穩(wěn)定的?；蛘哒f(shuō)在功角特性曲線上電磁功率和功率角同時(shí)增大，或同時(shí)減小的那一部分是靜態(tài)穩(wěn)定的。第37頁(yè)/共48頁(yè)靜態(tài)穩(wěn)定的判斷依據(jù)：比整步功率(kW/rad)對(duì)隱極發(fā)電機(jī)，比整步功率為:電機(jī)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，Pcx越大，電機(jī)穩(wěn)定增長(zhǎng)性越好。Pcx可以表示發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定度。如上圖，當(dāng)δ=0°時(shí)，Pcx最大，故同步發(fā)電機(jī)在空載時(shí)最為穩(wěn)定。當(dāng)δ=90°時(shí)，Pcx=0，正處在穩(wěn)定的交界，此時(shí)發(fā)電機(jī)保持同步的能力為零，故該點(diǎn)即為靜態(tài)穩(wěn)定的極限。當(dāng)δ＞90°時(shí)，Pcx為負(fù)值，發(fā)電機(jī)便失去了穩(wěn)定。第38頁(yè)/共48頁(yè)4)過(guò)載能力過(guò)載能力越大，電機(jī)的穩(wěn)定性越好。過(guò)載能力是表達(dá)靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機(jī)可以過(guò)載的倍數(shù)。同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，不僅在運(yùn)行中，而且在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，就應(yīng)注意留有一定的余量。設(shè)計(jì)時(shí)要求發(fā)電機(jī)的功率極限跟PMmax應(yīng)比其額定電磁功率PMN大一定的倍數(shù)，這個(gè)倍數(shù)稱(chēng)為靜態(tài)過(guò)載能力，用Km表示一般要求Km＞1.7（1.7~3），與此相對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率角δN約在25°~35°左右。第39頁(yè)/共48頁(yè)二、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)以隱極同步發(fā)電機(jī)為例，不計(jì)磁路飽和，不計(jì)電樞電阻，來(lái)分析同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)問(wèn)題，以及無(wú)功功率與勵(lì)磁電流的關(guān)系。1)空載運(yùn)行空載時(shí)電樞電流和電樞磁動(dòng)勢(shì)為零，E0=U，F(xiàn)f=Fδ這時(shí)的勵(lì)磁電流稱(chēng)為“正常”勵(lì)磁電流If0。如圖a所示。增大勵(lì)磁電流（If＞If0）,則E0＞U，由于電網(wǎng)電壓不變，發(fā)電機(jī)必然輸出一個(gè)滯后的無(wú)功電流（感性），它產(chǎn)生去磁的電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa,以維持氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)Fδ不變（Fδ=Ff+Fa），如圖b所示，這時(shí)勵(lì)磁電流稱(chēng)為過(guò)勵(lì)的勵(lì)磁電流。正常勵(lì)磁過(guò)勵(lì)Ff＞Fδ第40頁(yè)/共48頁(yè)結(jié)論:當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流變化時(shí)，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出的無(wú)功功率也將發(fā)生變化，過(guò)勵(lì)時(shí)發(fā)出感性的無(wú)功功率，欠勵(lì)時(shí)發(fā)出容性的無(wú)功功率。當(dāng)減小勵(lì)磁電流（If＜If0）時(shí)，E0＜U，發(fā)電機(jī)輸出一個(gè)超前的無(wú)功電流（容性），它產(chǎn)生增磁的電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa，以維持氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)Fδ不變（Fδ=Ff+Fa），如圖c所示，這時(shí)的勵(lì)磁電流稱(chēng)為欠勵(lì)的勵(lì)磁電流。正常勵(lì)磁過(guò)勵(lì)Ff＞Fδ欠勵(lì)Ff<Fδ第41頁(yè)/共48頁(yè)2)負(fù)載運(yùn)行調(diào)節(jié)無(wú)功功率時(shí)，不改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的輸入，有功功率將保持不變，即有:Icosφ=常數(shù)E0sinδ=常數(shù)在恒定的有功功率下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，電流相量I端點(diǎn)的軌跡為AB線（見(jiàn)圖），電動(dòng)勢(shì)相量E0端點(diǎn)的軌跡為CD線，不同勵(lì)磁電流時(shí)的E0和I的相量端點(diǎn)在軌跡線上有不同位置。圖中E0為正常勵(lì)磁電流下功率因數(shù)為1時(shí)的空載電動(dòng)勢(shì)，即電樞電流I全為有功分量。當(dāng)過(guò)勵(lì)時(shí)，If＞If0,E01＞E0。輸出一個(gè)感性的無(wú)功功率。說(shuō)明:電網(wǎng)電壓不變，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)不變，由于過(guò)勵(lì)時(shí)主極磁動(dòng)勢(shì)增大，為保持氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)不變，電樞反應(yīng)的去磁分量必然要增大，即φ角增大，電流變成滯后；反之，當(dāng)欠勵(lì)時(shí)，If＜If0,E02＜E0,則電樞電流I2，除有功分量I外，還出現(xiàn)一個(gè)超前的無(wú)功分量I2Q，即輸出一個(gè)容性的無(wú)功功率。第42頁(yè)/共48頁(yè)當(dāng)發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，就可