第15章同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行理論基礎(chǔ)

1、基本要求：基本要求：3 3掌握同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)功率及轉(zhuǎn)矩平衡方程式掌握同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)功率及轉(zhuǎn)矩平衡方程式1 1掌握同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)空載運(yùn)行的基本電磁關(guān)系掌握同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)空載運(yùn)行的基本電磁關(guān)系2 2掌握同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)負(fù)載運(yùn)行的電磁轉(zhuǎn)矩掌握同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)負(fù)載運(yùn)行的電磁轉(zhuǎn)矩 原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩 等于空載矩等于空載矩 ，發(fā)電機(jī)不向，發(fā)電機(jī)不向電網(wǎng)輸出有功功率。電網(wǎng)輸出有功功率。0T1T10TT260n 0I 10mFePppP1 1同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)時(shí)的功率及轉(zhuǎn)矩時(shí)的功率及轉(zhuǎn)矩同步發(fā)電機(jī)的理想條件同步發(fā)電機(jī)的理想條件: :發(fā)電機(jī)的端電壓大小、頻率以及相位與電網(wǎng)完全發(fā)電機(jī)的端電

2、壓大小、頻率以及相位與電網(wǎng)完全相同，同步發(fā)電機(jī)定子繞組完全沒(méi)有電流。相同，同步發(fā)電機(jī)定子繞組完全沒(méi)有電流。U1fFB0,0EU I0ECjIXIaF00,90EU 減少勵(lì)磁UB0E0cEUjIXF增加勵(lì)磁0cEUIjX1fFCjIXFU0EIBaF00,90EU 1fF 原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流只能使電樞繞助產(chǎn)生落后或領(lǐng)先的純無(wú)功電電流只能使電樞繞助產(chǎn)生落后或領(lǐng)先的純無(wú)功電流，發(fā)電機(jī)不輸出有功功率。流，發(fā)電機(jī)不輸出有功功率。 發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁動(dòng)勢(shì)基波和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁動(dòng)勢(shì)基波和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波同相位。磁動(dòng)勢(shì)基波同相位。

3、原如果在合閘前，發(fā)電機(jī)空載電壓與電網(wǎng)電原如果在合閘前，發(fā)電機(jī)空載電壓與電網(wǎng)電壓不等，除了合閘時(shí)產(chǎn)生沖擊電流外，發(fā)電機(jī)還壓不等，除了合閘時(shí)產(chǎn)生沖擊電流外，發(fā)電機(jī)還會(huì)有無(wú)功電流，即向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率。會(huì)有無(wú)功電流，即向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率。+A1fFfNNSfSF+A1fFfNNSfSF結(jié)論結(jié)論： 空載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)同相位，定轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生相吸引的力，作用力通過(guò)轉(zhuǎn)子的圓心，因此不產(chǎn)生電磁力矩。 調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 ，引起轉(zhuǎn)子加速。首先出現(xiàn)的是轉(zhuǎn)子位置（以 為標(biāo)志）領(lǐng)先氣隙旋轉(zhuǎn)磁密 。由于電網(wǎng)頻率不會(huì)改變， 的頻率也不會(huì)變，所以氣隙磁密 維持恒定的同步速度。10TTBBE1fF 并聯(lián)到電

4、網(wǎng)上的發(fā)電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)的物理量：勵(lì)磁電流和原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。代表轉(zhuǎn)子位置的空間向量 在空載時(shí)與 同相位； 增大瞬間，轉(zhuǎn)子加速使得 領(lǐng)先 一個(gè)角度B1fFB1T1fF qBB sinTdB+A1fFfNNSfSBqB.A1fFB qfffB l iB sinl N I2 2ffTf rpB sinl N IrpC sin 制動(dòng)力矩制動(dòng)力矩A1fFB10TTT電磁轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡式變?yōu)椋?010MTTTPPp 功率平衡式： 輸入功率電磁功率輸出功率1PMP2P11PT210cuPPpp0pcup1P2PMPMPT2osPmUIc22cosemcuPPPmUImI R0coscosUIR

5、E20cosemcuPPPmE I思考：內(nèi)功率因數(shù)角？思考：內(nèi)功率因數(shù)角？0EUIcjIXIr 并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，電并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之增大，電機(jī)的電磁功率和輸出機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之增大，電機(jī)的電磁功率和輸出有功功率增大。有功功率增大。本節(jié)內(nèi)容：本節(jié)內(nèi)容： 1 1、同步發(fā)電機(jī)的功角特性；、同步發(fā)電機(jī)的功角特性； 2 2、調(diào)節(jié)有功功率時(shí)無(wú)功功率的變化；、調(diào)節(jié)有功功率時(shí)無(wú)功功率的變化； 2 2、同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。、同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。 0cE sinIX cos0cE sinIcosX02emcUEP

6、PmsinXUIcj IX0E1.隱極發(fā)電機(jī)：若忽略電阻 ，則2emPPmUIcosr2（2） 一定時(shí)，改變勵(lì)磁電流 ，若 則fiMP12ffii12（ 1 1 ） 保 持 勵(lì) 磁 電 流） 保 持 勵(lì) 磁 電 流 不變時(shí)，不變時(shí)， 值與值與 角角按正弦曲線變化。按正弦曲線變化。MPfi2fi請(qǐng)比較請(qǐng)比較 和和 的大小的大小f1if2i1fi12MP02emcUEPPmsinX09001800090009001800MP1dIUIqqjI xddjI x0EqI2emPPmUIcos 當(dāng)忽略電樞電阻時(shí)，凸極式電磁功率亦等于輸出功率。 2022dqemddqXXUEPmsinmUsinXX X第

7、一項(xiàng)是勵(lì)磁電流在氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力所引起的，與勵(lì)磁電勢(shì) 成正比，稱為勵(lì)磁電磁功率。0E第二項(xiàng)在隱極機(jī)中不存在，與端電壓 及交直軸磁阻的差異 有關(guān)，稱作凸極電磁功率。UdqXX2022dqemddqXXUEPmsinmUsinXX X電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩: : 由于凸極機(jī)的電磁功率有兩個(gè)正弦函數(shù)疊加由于凸極機(jī)的電磁功率有兩個(gè)正弦函數(shù)疊加而成，其最大電磁功率發(fā)生在而成，其最大電磁功率發(fā)生在 角小于角小于 電角度電角度的位置。若的位置。若 則，則， 。09012ffii12MMPP211()sin22qdUmXX1800090018000900180009000900MP0sindE UmX0222e

8、mddqdqUEPmsinXXXmUsinX X 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流 = = 常常數(shù)時(shí)，勵(lì)磁電勢(shì)數(shù)時(shí)，勵(lì)磁電勢(shì) = = 常數(shù)，常數(shù)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出有功功率時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出有功功率時(shí)，因因 角的不同，使得不僅輸出角的不同，使得不僅輸出的有功功率的有功功率 不同，而且輸出的無(wú)功功率也不同，而且輸出的無(wú)功功率也會(huì)不同。會(huì)不同。fi0E0McUEPmsinXU0ECjIXI00ECjIXI0ECjIXICUjX0結(jié)論結(jié)論1 1：當(dāng)勵(lì)磁電流當(dāng)勵(lì)磁電流 = =常數(shù)時(shí)，常數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，發(fā)電調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率也會(huì)改變，輸出有功機(jī)的無(wú)功功率也會(huì)改變，輸出有功

9、功率增大時(shí)，輸出落后性無(wú)功功率功率增大時(shí)，輸出落后性無(wú)功功率會(huì)減小。會(huì)減小。fiU0EI0EICjIXCjIXCjIXI0CUjX00E結(jié)論結(jié)論2 2：并聯(lián)在電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)，保持勵(lì)磁電流并聯(lián)在電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)，保持勵(lì)磁電流為常數(shù)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，電動(dòng)勢(shì)向量為常數(shù)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，電動(dòng)勢(shì)向量的軌跡是一個(gè)圓的軌跡是一個(gè)圓( (圓心是圓心是 ) ) ，電樞電流，電樞電流 向量的向量的軌跡也是一個(gè)圓軌跡也是一個(gè)圓( (圓心是圓心是 ) )，把它們稱為同步電機(jī)，把它們稱為同步電機(jī)的圓圖。的圓圖。fi0EI00 同步發(fā)電機(jī)輸出容量的大小，不僅受到發(fā)熱同步發(fā)電機(jī)輸出容量的大小，不僅

10、受到發(fā)熱的限制，而且受到運(yùn)行穩(wěn)定性的限制。的限制，而且受到運(yùn)行穩(wěn)定性的限制。 穩(wěn)定問(wèn)題包括由若干個(gè)發(fā)電廠或發(fā)電機(jī)的電力穩(wěn)定問(wèn)題包括由若干個(gè)發(fā)電廠或發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)，在正常負(fù)載調(diào)配和不正常事故中，這些電機(jī)系統(tǒng)，在正常負(fù)載調(diào)配和不正常事故中，這些電機(jī)或電廠是否還能保持同步運(yùn)行的問(wèn)題。或電廠是否還能保持同步運(yùn)行的問(wèn)題。穩(wěn)定問(wèn)題又分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定兩種。穩(wěn)定問(wèn)題又分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定兩種。（2 2）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定：動(dòng)態(tài)穩(wěn)定：發(fā)電機(jī)突然加負(fù)載、切除負(fù)載等發(fā)電機(jī)突然加負(fù)載、切除負(fù)載等正常操作運(yùn)行時(shí)，或者在發(fā)生突然短路、電壓突變、正常操作運(yùn)行時(shí)，或者在發(fā)生突然短路、電壓突變、發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁電流等非正常運(yùn)行，

11、以及遭受到大發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁電流等非正常運(yùn)行，以及遭受到大的或是一定數(shù)值參數(shù)變化或負(fù)載變化時(shí)，電機(jī)是否的或是一定數(shù)值參數(shù)變化或負(fù)載變化時(shí)，電機(jī)是否還能保持同步運(yùn)行的問(wèn)題。還能保持同步運(yùn)行的問(wèn)題。（1 1）靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定：發(fā)電機(jī)在某一穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，：發(fā)電機(jī)在某一穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，如果在電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)方面，突然發(fā)生一些微小干如果在電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)方面，突然發(fā)生一些微小干擾，在此小干擾去掉后，發(fā)電機(jī)若能恢復(fù)到原來(lái)擾，在此小干擾去掉后，發(fā)電機(jī)若能恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，即認(rèn)為該發(fā)電機(jī)是穩(wěn)定的。的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，即認(rèn)為該發(fā)電機(jī)是穩(wěn)定的。90018009009001800900180090009001800T(1)

12、 (1) 隱極機(jī)隱極機(jī)1TT2TT 若原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩若原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩 不變，當(dāng)不變，當(dāng) 增大一個(gè)增大一個(gè) 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 也增加一個(gè)也增加一個(gè) ，去掉干擾后，因，去掉干擾后，因 ，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，使電機(jī)自動(dòng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，使電機(jī)自動(dòng)回到原工作點(diǎn)（回到原工作點(diǎn)（ ），發(fā)電機(jī)運(yùn)行是穩(wěn)定的。），發(fā)電機(jī)運(yùn)行是穩(wěn)定的。1T1T1TTT1T(1) (1) 隱極機(jī)隱極機(jī)90018009009001800900180090009001800T1TT2TT 若原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩若原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩 不變，當(dāng)不變，當(dāng) 增大一個(gè)增大一個(gè) 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 也增加一個(gè)也增加一個(gè) ，去掉干擾后，

13、因，去掉干擾后，因 ，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，使電機(jī)自動(dòng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，使電機(jī)自動(dòng)回到原工作點(diǎn)（回到原工作點(diǎn)（ ），發(fā)電機(jī)運(yùn)行是穩(wěn)定的。），發(fā)電機(jī)運(yùn)行是穩(wěn)定的。1T1T1TTT1T0dTd ，發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的。，發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的。 或或 時(shí)為靜態(tài)穩(wěn)定極限。時(shí)為靜態(tài)穩(wěn)定極限。900dTd0dTd ，發(fā)電機(jī)是不穩(wěn)定的。，發(fā)電機(jī)是不穩(wěn)定的。 凸極機(jī)與隱極機(jī)相似，凸極機(jī)與隱極機(jī)相似，0dTd發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的。發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的。 ，為靜態(tài)穩(wěn)定極限，但此時(shí)，為靜態(tài)穩(wěn)定極限，但此時(shí)90m0dTd0dTd ，發(fā)電機(jī)是不穩(wěn)定的。，發(fā)電機(jī)是不穩(wěn)定的。 180009001800090018000900

14、0900Tm（2 2）凸極機(jī)）凸極機(jī)凸極機(jī)的額定運(yùn)行點(diǎn)一般在凸極機(jī)的額定運(yùn)行點(diǎn)一般在 角度范圍。角度范圍。0020 30（3 3）最大轉(zhuǎn)矩）最大轉(zhuǎn)矩 （或最大電磁功率（或最大電磁功率 ）與額定電磁轉(zhuǎn)矩與額定電磁轉(zhuǎn)矩 （或額定電磁功率（或額定電磁功率 ）之比）之比稱為過(guò)載能力，用稱為過(guò)載能力，用 表示：表示：maxTmaxMPNTNPmkmaxmax1NmNNNTPkTPsin隱極機(jī)隱極機(jī) ， 一般為一般為1.51.52 2左右。左右。30 40ooNmk整步轉(zhuǎn)矩系數(shù)整步轉(zhuǎn)矩系數(shù)dTd0coscdTm E UdX隱極機(jī)：隱極機(jī)：0coscos2dqcdqXXdTmE UdXX X凸極機(jī)：凸極機(jī)：

15、整步轉(zhuǎn)矩系數(shù)的正負(fù)代表了是否穩(wěn)定，大小代表了穩(wěn)整步轉(zhuǎn)矩系數(shù)的正負(fù)代表了是否穩(wěn)定，大小代表了穩(wěn)定的能力。定的能力。 電力系統(tǒng)，除了要供給負(fù)載有功功率以外，還電力系統(tǒng)，除了要供給負(fù)載有功功率以外，還要供給負(fù)載大量的無(wú)功功率，電網(wǎng)的總無(wú)功功率由要供給負(fù)載大量的無(wú)功功率，電網(wǎng)的總無(wú)功功率由電網(wǎng)中全部發(fā)電機(jī)共同負(fù)擔(dān)。電網(wǎng)中全部發(fā)電機(jī)共同負(fù)擔(dān)。 調(diào)節(jié)一臺(tái)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率時(shí)，可以認(rèn)為調(diào)節(jié)一臺(tái)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率時(shí)，可以認(rèn)為電網(wǎng)是無(wú)限大電網(wǎng)，即電網(wǎng)電壓與頻率是不變的。電網(wǎng)是無(wú)限大電網(wǎng)，即電網(wǎng)電壓與頻率是不變的。U 發(fā)電機(jī)在理想條件下（發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓、頻發(fā)電機(jī)在理想條件下（發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓、頻率、初相角都

16、相等），并聯(lián)合閘到電網(wǎng)上去。率、初相角都相等），并聯(lián)合閘到電網(wǎng)上去。 3. 3. 欠勵(lì)磁（進(jìn)相運(yùn)行）：（保持原動(dòng)機(jī)輸出不欠勵(lì)磁（進(jìn)相運(yùn)行）：（保持原動(dòng)機(jī)輸出不變）減小勵(lì)磁電流變）減小勵(lì)磁電流 ，發(fā)電機(jī)送出領(lǐng)先的無(wú)功，發(fā)電機(jī)送出領(lǐng)先的無(wú)功電流，產(chǎn)生助磁電樞反應(yīng)。電流，產(chǎn)生助磁電樞反應(yīng)。fi2. 2. 過(guò)勵(lì)磁過(guò)勵(lì)磁( (遲相運(yùn)行遲相運(yùn)行) )：（保持原動(dòng)機(jī)輸出不變）：（保持原動(dòng)機(jī)輸出不變）增加勵(lì)磁電流增加勵(lì)磁電流 ，發(fā)電機(jī)送出落后的無(wú)功電流，發(fā)電機(jī)送出落后的無(wú)功電流，產(chǎn)生去磁電樞反應(yīng)。產(chǎn)生去磁電樞反應(yīng)。fi1. 1. 正常勵(lì)磁：空載運(yùn)行時(shí)，電樞電流正常勵(lì)磁：空載運(yùn)行時(shí)，電樞電流 ，發(fā)電機(jī)既沒(méi)有有功

17、功率輸出，也沒(méi)有無(wú)功功率輸發(fā)電機(jī)既沒(méi)有有功功率輸出，也沒(méi)有無(wú)功功率輸出，此時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流為正常勵(lì)磁。出，此時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流為正常勵(lì)磁。0I，所以：，所以：0emcUEPmsinX則：則：= =常數(shù)，而常數(shù)，而2emPP2PmUIcos= =常數(shù)常數(shù)均為不變量均為不變量CmUX 、 、0IcosE sin常數(shù)常數(shù)常數(shù)常數(shù)CjIX0EICjIX0E當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出一定的有功功率并保持不變，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出一定的有功功率并保持不變，Icos0sinEIUI0ECjIX（3 3）電樞電流）電樞電流 與電壓與電壓 同相位，同相位，正常勵(lì)磁正常勵(lì)磁。IU（2 2）電樞電流）電樞電流 落后電壓落后電壓 時(shí)，時(shí)

18、， 較大，也就是勵(lì)磁電流較大，也就是勵(lì)磁電流 較大，較大，過(guò)勵(lì)磁過(guò)勵(lì)磁；fiIU0E（1 1）電樞電流）電樞電流 領(lǐng)先電壓領(lǐng)先電壓 時(shí)，時(shí)， 較小，也就是勵(lì)磁電較小，也就是勵(lì)磁電流流 較小，較小，欠勵(lì)磁欠勵(lì)磁；IU0EfiCjIXU0EIICjIX0ECjIXI0E0sinEIcosIfI0If00emPemPemPemPemPemPemPemPemPemP正常勵(lì)磁正常勵(lì)磁滯后滯后過(guò)勵(lì)過(guò)勵(lì)不穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定區(qū)cos1超前超前欠勵(lì)欠勵(lì)cos0. 8cos0. 8 把空載和不同負(fù)載下的電樞電流和勵(lì)磁電流的關(guān)系畫把空載和不同負(fù)載下的電樞電流和勵(lì)磁電流的關(guān)系畫成曲線，此曲線叫做成曲線，此曲線叫做發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的U U形曲線形曲線。同步發(fā)電機(jī)的U形曲線的特點(diǎn)： 有功功率越大, U形曲線越高，emememPPP 每條U形曲線有一個(gè)最低點(diǎn)，表示該輸出功率下， 。把這些點(diǎn)連起來(lái)稱為 的線。1cos1cos 線的左邊屬于欠勵(lì)超前功率因數(shù)區(qū)，右邊屬于過(guò)勵(lì)滯后功率因數(shù)區(qū)。1cos 在最左邊，由于勵(lì)磁電流過(guò)小，運(yùn)行的功率角 達(dá)到 ，進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)。90o同步發(fā)電機(jī)的U形曲線的作用：已知其中兩個(gè)變量，可以知道其他兩個(gè)運(yùn)行的量，對(duì)運(yùn)行管理非常有幫助。