電機與電力拖動課件-第5章

第5章同步電機5.1同步發(fā)電機基礎知識5.2同步發(fā)電機的空載運行5.3同步發(fā)電機的負載運行5.4同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖5.5同步發(fā)電機的運行特性5.6同步發(fā)電機并聯(lián)運行的方法和條件5.7并聯(lián)運行時有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定5.8并聯(lián)運行時無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線5.9同步電動機與同步調(diào)相機

5.1同步發(fā)電機基礎知識

如圖5-1所示是電力系統(tǒng)中的一種重要設備。圖5-1電力系統(tǒng)某設備圖

5.1.1同步發(fā)電機的基本工作原理

同步發(fā)電機是通過電磁感應原理把機械能轉變成電能的。

同步發(fā)電機主要由定子和轉子兩部分組成,通過轉子磁場和定子繞組的相對運動,實現(xiàn)能量轉換。如圖5-2所示為凸極同步發(fā)電機工作原理,定子部分與三相異步電動機相同,凸極轉子上裝有勵磁繞組,通入直流電流If時形成N、S磁極。原動機拖動轉子旋轉形成旋轉磁場,對稱三相定子繞組的有效邊切割磁力線,產(chǎn)生感應電動勢,其方向可用右手定則判斷。圖5-2凸級同步發(fā)電機工作原理

(1)三相繞組AX、BY、CZ在空間上互差120°電角度,產(chǎn)生三相對稱感應電動勢:

感應電動勢的有效值為

(2)三相電動勢的相序與轉子的轉向一致,即相序由轉子的轉向決定。

(3)感應電動勢頻率。轉子每轉過一對磁極,感應電動勢就變化一個周期;如果轉子轉一周有p對磁極,則繞組感應電動勢就變化p個周期;當轉子每分鐘的轉速為n時,感應電動勢每分鐘變化pn個周期,每秒變化pn/60個周期,所以電動勢的頻率為

5.1.2同步發(fā)電機的類型和基本結構

一、同步電機的類型

同步電機可以按以下方式分類:

(1)按能量轉換方式和用途,同步電機可分為發(fā)電機、電動機和調(diào)相機3類。發(fā)電機把機械能轉換成電能;電動機把電能轉換為機械能;調(diào)相機用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率,改善電網(wǎng)的功率因數(shù),基本上不輸出有功功率。

(2)按轉子功能,同步電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種,前者在小容量同步電機中得到某些應用,后者應用較為廣泛,并成為同步電機的基本結構形式。

(3)按轉子結構形式,同步電機可分為隱極式和凸極式兩種。如圖5-3(a)所示為隱極同步電機,其氣隙均勻,轉子呈細長圓柱狀,適合于高速旋轉的汽輪發(fā)電機。如圖5-3(b)所示為凸極同步電機,其氣隙不均勻,轉子呈扁盤狀,適用于中速或低速旋轉的水輪發(fā)電機。凸極式還可用于同步電動機和調(diào)相機。圖5-3同步電機

二、同步發(fā)電機的基本結構

1.汽輪發(fā)電機的基本結構

汽輪發(fā)電機由定子和隱極轉子兩大部分組成。

1)定子

汽輪發(fā)電機的定子由鐵心、定子繞組(電樞繞組)、機座及其他附屬部件構成。為了減少鐵損耗,定子鐵心一般采用兩面涂有絕緣漆膜的硅鋼片分組疊壓而成。每組含十多片鐵

心沖片,厚度為30~60mm。每組疊片之間有寬10mm的徑向通風溝,如圖5-4所示。圖5-4定子鐵心結構

2)隱極轉子

汽輪發(fā)電機的隱極轉子由鐵心、勵磁繞組、護環(huán)、中心環(huán)等組成。

(1)轉子鐵心(轉子本體)是汽輪發(fā)電機最關鍵的部件之一,它是巨大離心力的受體,所以采用鉻鎳鉬合金鋼鍛制而成,和轉軸鍛為一體。它呈細長的圓柱形,現(xiàn)代汽輪發(fā)電機轉子長度與直徑之比l/D=2.5-~6.5,且容量愈大,比值愈大。

在鐵心表面,以主極軸線為對稱中心,1/3極距寬度范圍內(nèi)不開槽,形成“大齒”,即磁極;2/3極距寬度內(nèi)均勻分布開口式平行槽,用來嵌放勵磁繞組,如圖5-5所示。圖5-5-隱極轉子鐵心及沖片

(2)勵磁繞組采用分布式同心線圈,由扁銅線繞制而成。為了承受高速旋轉的離心力,槽楔用高強度硬質鋁合金等金屬材料制作,繞組的出線端連接到集電環(huán)上,外接直流電源。

(3)護環(huán)為兩只金屬圓筒,采用高強度非導磁合金鋼制成,用來保護勵磁繞組的兩個端部,使之不會因離心力作用而甩出。

(4)中心環(huán)用于支持護環(huán)并阻止勵磁繞組的軸向移動。

2.水輪發(fā)電機的主要結構

水輪發(fā)電機的定子結構和汽輪發(fā)電機的相同,區(qū)別主要在轉子部分,水輪發(fā)電機采用了凸極轉子。凸極同步電機有臥式和立式兩類。

凸極同步電機的凸極轉子由磁極、勵磁繞組、磁軛、轉子支架和轉軸,以及阻尼繞組等組成,如圖5-6所示。圖5-6凸極轉子結構

磁極一般由1~1.5mm厚的鋼板沖片疊成,在磁極的兩端加上磁極壓板,用拉緊螺桿緊固成整體,并用T尾與磁軛的T尾槽連接。磁軛可用鑄鋼,也可用沖片疊壓。磁極與磁軛之間的連接應牢固,以滿足旋轉受力要求。阻尼繞組和異步電機的籠型結構相似,由若干插在極靴槽中的銅條經(jīng)兩端環(huán)短接而成。凸極轉子的磁極和繞組如圖5-7所示。圖5-7凸極轉子的磁極和繞組

5.1.3三相同步發(fā)電機的勵磁方式

一、直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

這是一種經(jīng)典的勵磁系統(tǒng),并稱該系統(tǒng)中的直流發(fā)電機為直流勵磁機。直流勵磁機多采用他勵或永磁勵磁方式,且與同步發(fā)電機同軸旋轉,輸出的直流電流經(jīng)電刷、滑環(huán)輸入同步發(fā)電機轉子勵磁繞組。采用他勵接法時,勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給,如圖5-8所示。圖5-8直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

二、靜止式交流整流勵磁系統(tǒng)

同軸上有3臺交流發(fā)電機,即主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。交流副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供,待電壓建立起來后再轉為自勵(有時采用永磁發(fā)電機)。副勵磁機的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機,而主勵磁機的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組,如圖5-9所示。圖5-9靜止式交流整流勵磁系統(tǒng)

三、旋轉式交流整流勵磁系統(tǒng)

靜止式交流整流勵磁系統(tǒng)去掉了直流勵磁機的換向器,解決了換向火花問題,但電刷和滑環(huán)依然存在,還是有觸點系統(tǒng)。對于大容量的同步發(fā)電機,其勵磁電流達到數(shù)千安培,使得滑環(huán)嚴重過熱。如果把交流勵磁機做成轉樞式同步發(fā)電機,并將整流器固定在轉軸上一道旋轉,就可以將整流輸出直接供給發(fā)電機的勵磁繞組,如圖5-10所示。圖5-10旋轉式交流整流勵磁系統(tǒng)

四、自勵式靜止整流勵磁系統(tǒng)

如果取消交流勵磁機,則交流勵磁電源直接取自同步發(fā)電機本身,如圖5-11所示。圖5-11自勵式靜止整流勵磁系統(tǒng)

5.1.4同步發(fā)電機的銘牌

同步發(fā)電機機座外殼醒目的地方放置有銘牌,它是電機制造廠用來向用戶介紹該臺電機的特點和額定數(shù)據(jù)的,通常標有型號、額定值、絕緣等級等內(nèi)容。銘牌上標示的容量、電壓、電流都是額定值。所謂額定值,就是能保證電機正常連續(xù)運行的最大限值。當電機在額定數(shù)據(jù)規(guī)定的情況下運行時,發(fā)電機壽命可以達到設計的預期年限,效率也較高。

1.型號

我國生產(chǎn)的發(fā)電機型號都是由漢語拼音大寫字母與阿拉伯數(shù)字組成的。如一臺汽輪發(fā)電機的型號為QFSN3002,其意義為:

2.額定容量PN(或SN)

額定容量是指該臺發(fā)電機長期安全運行的最大允許輸出功率。有的發(fā)電機用有功功率kW或MW來表示,有的發(fā)電機用視在功率kVA或MVA來表示。

3.額定電壓UN

額定電壓是指該臺發(fā)電機額定運行時,定子三相線端的線電壓,單位為V或kV。

4.額定電流IN

額定電流是指該臺發(fā)電機額定運行時,流過定子繞組的線電流,單位為A。

5.額定功率因數(shù)cosφN

額定功率因數(shù)是指該臺發(fā)電機額定運行時的功率因數(shù)。在輸出有功功率一定的條件下,提高功率因數(shù),可提高發(fā)電機有效材料利用率、減輕發(fā)電機的總質量、提高效率、降低輸電線損耗,但會使發(fā)電機的視在容量減小、穩(wěn)定性降低?，F(xiàn)代發(fā)電機由于采用快速勵磁系統(tǒng)來保證穩(wěn)定性要求,額定功率因數(shù)有所提高。

6.額定勵磁電壓UfN

額定勵磁電壓是指該臺發(fā)電機額定運行時,轉子勵磁繞組兩線端的直流電壓,單位為V。

7.額定勵磁電流IfN

額定勵磁電流是指該臺發(fā)電機額定運行時,流過轉子勵磁繞組的直流電流,單位為A。

8.額定轉速

額定轉速是指該臺發(fā)電機額定運行時對應電網(wǎng)頻率的同步轉速,單位為r/min(轉/分)。

三相同步發(fā)電機額定功率、額定電壓、額定電流之間的關系為

小結

同步發(fā)電機是遵循電磁感應原理工作的,由于轉子磁場在氣隙空間按正弦規(guī)律分布,三相繞組中能夠感應出三相對稱的正弦波形電動勢,電動勢頻率和轉速之間保持嚴格不變

的關系,即

按運行方式和功率轉換方式,同步電機可分為發(fā)電機、電動機和調(diào)相機3類。按結構形式,同步電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種,對于旋轉磁極式結構,按照磁極的形狀又可分為隱極式和凸極式兩種。

同步電機主要由定子和轉子兩大部分組成,隱極同步電機都采用臥式結構,轉速較高,轉子的直徑較小而長度較長。凸極同步電機有臥式和立式兩類,低速、大型水輪發(fā)電機常采用立式結構,極對數(shù)多,電機直徑大,軸向長度短,外形短粗,呈扁盤形。

同步發(fā)電機的勵磁方式主要有直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、靜止式交流整流勵磁系統(tǒng)和旋轉式交流整流勵磁系統(tǒng)。

5.2同步發(fā)電機的空載運行

根據(jù)同步發(fā)電機的基礎知識,分析如圖5-12所示的同步電機的組成部分、極對數(shù)以及電機類型。查閱資料了解該電機空載運行時的電磁現(xiàn)象。圖5-12四極凸極電機的空載磁路

5.2.1同步發(fā)電機的空載氣隙磁場

三相同步發(fā)電機作為實際的交流電源供給特定負載或者向電網(wǎng)輸送電能時,必須要建立起穩(wěn)定的幅值、頻率和波形較好的三相對稱交變電勢。發(fā)電機的感應電勢由電樞繞組切

割轉子旋轉磁場產(chǎn)生,其大小和性質與旋轉磁場緊密相關。本節(jié)從氣隙中旋轉磁場入手,討論發(fā)電機空載運行的特點。

原動機拖動同步發(fā)電機以同步轉速旋轉,勵磁繞組(轉子繞組)中通入直流勵磁電流,電樞繞組(定子繞組)開路的運行方式,稱為同步發(fā)電機的空載運行?？蛰d運行時定子(電樞)電流為零,電機氣隙中只有轉子的勵磁電流If單獨產(chǎn)生的主極磁場。若勵磁繞組匝數(shù)為Nf,則轉子直流勵磁磁勢為

如圖5-12所示為一臺四級凸極電機的空載磁路圖。

如果忽略氣隙磁場中高次諧波的影響,可認為氣隙磁場在空間中按正弦規(guī)律分布,并隨轉子一起以同步轉速旋轉,正弦波最大值與磁極中線重合。主磁場在氣隙中形成一個旋

轉磁場,并切割定子的對稱三相繞組,會在定子繞組中感應出一組頻率為f的對稱的三相電動勢?E0A、?E0B、?E0C,稱為勵磁電動勢,分別為

每相勵磁電動勢的基波分量有效值為

式中,N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù);Φ0為每極基波磁通(Wb);kw1為基波電動勢繞組系數(shù);E0為電動勢的基波分量有效值(V)。

空載運行時,以定子繞組A相為例,當A相繞組中的感應電動勢為最大值時,主極磁通與定子繞組中感應電動勢的相量關系如圖5-13所示。圖5-13同步電機空載運行時的相量圖

5.2.2同步發(fā)電機的空載特性及實際應用

一、同步發(fā)電機的空載特性

當空載運行時,勵磁電動勢隨勵磁電流變化的關系E0=f(If)稱為同步發(fā)電機的空載特性。勵磁電動勢E0的大小(有效值)與轉子每極磁通Φ0成正比,勵磁電流If的大小與勵磁磁動勢Ff成正比,所以E0=f(If)與電機磁路的磁化曲線Φ0=f(Ff)有類似的規(guī)律,如圖5-14所示。圖5-14同步發(fā)電機空載特性曲線

二、同步發(fā)電機空載特性的實際應用

空載特性在同步發(fā)電機理論中有著如下重要作用:

(1)將設計好的電機的空載特性與相應數(shù)據(jù)相比較,如果兩者接近,說明電機設計合理;反之,則說明該電機的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。

(2)空載特性結合短路特性可以求取同步電機的參數(shù)。

(3)發(fā)電廠可通過測量空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障。

小結

用原動機把同步發(fā)電機拖動到同步轉速,勵磁繞組通入直流勵磁電流,電樞繞組開路(或電樞電流為零)的情況稱為同步發(fā)電機的空載運行。此時所建立的主極磁場主要分成主磁通和漏磁通兩部分。

若主磁場在氣隙中正弦分布,且以同步轉速旋轉,則在定子繞組中產(chǎn)生對稱三相電動,其基波分量的有效值為

空載特性是同步電機的基本特性之一。空載特性的下部是一條直線,與其相切的直線稱為氣隙線。隨著勵磁電流和主磁通的增大,鐵心逐漸飽和,鐵心內(nèi)所消耗的磁動勢增加得較快,空載特性逐漸彎曲。

空載運行是同步發(fā)電機最簡單的運行方式,其氣隙磁場由轉子磁動勢單獨建立,分析較為簡單。通過分析同步發(fā)電機的空載氣隙磁場,可以建立空載特性方程。

5.3同步發(fā)電機的負載運行

如圖5-15所示是汽輪發(fā)電機組。圖5-15-汽輪發(fā)電機組

5.3.1同步發(fā)電機的電樞反應

圖5-16同步電機負載后的旋轉磁動勢

下面以隱極同步發(fā)電機為例說明負載運行時各物理量的相位關系。當定子三相繞組接三相對稱負載阻抗時,由于旋轉的主極磁場在繞組中感應的三相對稱電動勢E0的作用,將有電樞電流I流向負載。若規(guī)定電動勢和電流的正方向相同,且與磁通正方向之間滿足右手螺旋關系,而負載的相位取決于負載的性質。若為感性負載,?I將落后于?E0;若為容性負載,I?可能領先?E0。I?比?E0滯后ψ角度時的相量圖如圖5-17所示。圖5-17隱極同步發(fā)電機負載運行相量圖

同步發(fā)電機在負載時,隨著電樞磁動勢的產(chǎn)生,氣隙中的磁動勢從空載時的主極磁動勢改變?yōu)樨撦d時的合成磁動勢。電樞磁動勢使氣隙中磁場的大小和位置發(fā)生變化的這種現(xiàn)象稱為電樞反應,相應的電樞磁動勢又稱為電樞反應磁動勢。電樞反應會對電機性能產(chǎn)生重大影響。

5.3.2不同內(nèi)功率因數(shù)角的電樞反應性質

同步發(fā)電機負載運行的某個特殊瞬間的空間矢量圖如圖5-18所示,此時轉子磁通Φf被A相繞組垂直切割,A相繞組中的感應電動勢E0在這一時刻達到最大值,當A相繞組及其負

載所構成的回路為純電阻性質時,A相電流I?a與感應電動勢?E0同相位,即內(nèi)功率因數(shù)角ψ=0°。對于三相對稱交流電流產(chǎn)生的旋轉磁動勢而言,當某一相電流達到最大值時,三相合成磁動勢的軸線將和該相線圈的軸線重合。所以在ψ=0°時,三相電樞電流產(chǎn)生的合成旋轉磁動勢(電樞磁動勢Fa)與A相繞組的軸線重合,即Fa和Ff之間的夾角為90°電角度。圖5-18同步發(fā)電機負載運行某瞬間的空間矢量圖圖5-19ψ=0時的電樞反應

二、I?滯后?E0(ψ=90°)時的電樞反應

當電樞電流I?滯后空載電勢?E0的相位為90°時,其相量矢量圖如圖5-20所示,此時電樞磁動勢與直軸重合,稱為直軸電樞磁動勢Fad。電樞磁動勢Fad與轉子磁動勢Ff之間的夾角為180°,即二者反相,轉子磁動勢和電樞磁動勢作用在直軸相反的方向上,電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔?合成磁勢的幅值減小,這一電樞反應稱為直軸去磁電樞反應。圖5-20ψ=90°時的相量矢量圖

三、I?超前?E0(ψ=-90°)時的電樞反應

當電樞電流I?超前空載電動勢?E0的相位為90°時,其相量矢量圖如圖5-21所示,此時電樞磁動勢仍與直軸重合,但直軸電樞磁動勢Fad與轉子磁動勢之間的夾角變?yōu)?°,即二者同相。轉子磁動勢和電樞磁動勢作用在直軸相同方向上,電樞反應為增磁作用,合成磁動勢幅值增大,這一反應稱為直軸增磁電樞反應。圖5-21ψ=-90°時的相量矢量圖

四、ψ為任意角度時的電樞反應

以I?滯后于?E0相位角ψ的情況為例進行分析,如圖5-22所示,可將I?分解為直軸分量I?d和交軸分量I?q,I?d滯后于?E090°,它產(chǎn)生的直軸電樞磁動勢Fad與Ff反相,起去磁作用;I?q與?E0同相位,它產(chǎn)生的交軸電樞磁動勢Faq與Ff正交,起交磁作用。根據(jù)矢量分析可得圖5-22ψ為任意角度時的相量矢量圖

小結

對稱負載運行時,電樞繞組中將通過對稱負載電流,產(chǎn)生電樞磁動勢Fa,Fa和Ff均以同步轉速旋轉,在空間中處于相對靜止狀態(tài),Fa對Ff的影響稱為電樞反應。

電樞反應的性質取決于空載電動勢?E0和電樞電流I?的夾角ψ(內(nèi)功率因數(shù)角)。當ψ=0°時,電樞反應表現(xiàn)為交軸電樞反應,使氣隙磁場軸線偏離主磁場軸線形成電磁轉矩,與發(fā)電機的能量轉換密切相關;當ψ=±90°時,電樞反應表現(xiàn)為直軸增磁或去磁的直軸電樞反應,使主極磁動勢增加或減少,與電機的電壓變化和勵磁調(diào)節(jié)有關。從負載角度來看,ψ反映了負載的性質,電樞反應的實質是由負載性質決定的。

5.4同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖

圖5-23不考慮磁路飽和時的隱極同步發(fā)電機

電流滯后于電壓時,隱極同步發(fā)電機相量圖可按以下步驟作出:

(1)在水平方向作出相量?U1;

(2)根據(jù)φ角找出I?的方向并作出相量I?;

(3)在?U1的尾端,加上同步電抗壓降jXsI?,超前I?角度為90°;

(4)作出由U?1的首端指向jXsI?尾端的相量,該相量便是勵磁電勢?E0。

根據(jù)圖5-24中的相量關系,可確定隱極同步電機的內(nèi)功率因數(shù)角ψ和勵磁電動勢E0的解析式為圖5-24隱極同步發(fā)電機圖5-24隱極同步發(fā)電機

【例5-3】有一臺三相隱極同步發(fā)電機,電樞繞組采用Y接法,額定電壓UN=6300V,額定電流IN=572A,額定功率因數(shù)cosφ=0.8(滯后),該電機在同步轉速下運轉,勵磁繞組開路,電樞繞組端點外施加三相對稱線電壓U=2300V,測得定子電流為572A。如果不計電阻壓降,求此電機在額定運行下的勵磁電動勢E0和功角δ。

二、考慮磁路飽和

考慮磁路飽和時,由于磁路的非線性,疊加原理不再適用。此時,應先將主極磁動勢Ff和等效的電樞磁動勢kaFa進行矢量相加,求出合成磁動勢F,然后利用電機的磁化曲線(空載曲線)求出負載時的氣隙磁通及相應的氣隙電動勢:

式中,ka為產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場時,1安匝的電樞磁動勢相當于多少安匝的梯形波主極磁動勢。

通常磁化曲線用主極磁動勢Ff的幅值表示。隱極電機的勵磁磁動勢是階梯波,如圖5-25所示。圖5-25-隱極同步發(fā)電機主極磁動勢分布

5.4.2凸極同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖

對稱負載運行時,由于凸極同步發(fā)電機的氣隙沿電樞圓周是不均勻的,電樞磁動勢波作用在氣隙的不同位置時,電樞磁場的大小不同,給分析帶來極大的困難。因此在定量分析電樞反應作用時,需應用雙反應理論。將電樞反應磁動勢分解為作用在d軸上的直軸電樞反應磁動勢Fad和作用在q軸上的交軸電樞反應磁動勢Faq;不計磁路飽和的影響,和隱極同步發(fā)電機相似,分別計算相應的磁通和感應電動勢,再疊加得到總電動勢。

上述關系可表述為

式(5-22)與隱極發(fā)電機的電壓方程形式相同,表明凸極同步發(fā)電機可以等效為一個內(nèi)電動勢為EQ(虛擬電動勢)、內(nèi)阻抗為(Ra+jXq)的交流電源,根據(jù)以上方程可畫出凸極同步發(fā)電機的等效電路和電動勢相量圖,如圖5-26所示。圖5-26凸極同步發(fā)電機

可知,?EQ和?E0的相位相同。可確定隱極同步電機的內(nèi)功率因數(shù)角ψ和勵磁電動勢E0的解析分別為

若已知凸極同步發(fā)電機的參數(shù)Xd、Xq、Ra、端電壓U?、電流I?a和負載功率因數(shù)角φ,可先通過式(5-23)求出ψ,然后求出Id和Iq,即可直接畫出與式(5-19)對應的相量圖,如圖5-27所示。圖5-27凸極同步發(fā)電機的相量圖

小結

電動勢方程式、相量圖和等效電路是分析同步電機運行性能的重要方法。這3種方法是對電機內(nèi)部電磁關系的不同描述,其中電動勢方程式和相量圖在計算電機工作過程中更常用到。

同步發(fā)電機的電抗參數(shù)Xs是發(fā)電機的重要電磁參數(shù),反映的是發(fā)電機對稱穩(wěn)態(tài)運行時電樞反應磁場與發(fā)電機漏磁場的磁路情況,與發(fā)電機的運行性能密切相關,必須深入理解其物理意義。由于轉子結構不同,隱極和凸極同步發(fā)電機的分析方法略有不同。對于隱極發(fā)電機,由于氣隙均勻,不計磁路飽和的情況下,隱極發(fā)電機直軸電抗和交軸電抗相等,并且都等于同步電抗,即Xd=Xq=Xs?？筛鶕?jù)電磁關系得到電樞繞組的電動勢平衡方程式、等效電路和相量圖。

分析凸極同步發(fā)電機的電磁關系時,由于氣隙不均勻,同樣大小的電樞磁動勢作用在直軸和交軸磁路上產(chǎn)生的磁通不同,因此可以利用雙反應理論,把電樞電動勢分解為直軸磁動勢和交軸磁動勢,然后分別求出相應磁場在電樞繞組中的感應電動勢,再把它們疊加,并進一步寫出電樞繞組的電動勢平衡方程式。在分析過程中為了方便,將電樞反應的效應簡化成一個電抗壓降來處理。

5.5-同步發(fā)電機的運行特性

5.5.1同步發(fā)電機短路特性一、短路特性同步發(fā)電機的短路特性反映的是電機定子三相穩(wěn)態(tài)短路下,短路電流與勵磁電流之間的關系。根據(jù)發(fā)電機的空載特性和短路特性,可確定短路比,從而衡量發(fā)電機的性能。

短路特性是指在額定轉速下,電樞繞組三相穩(wěn)態(tài)短路時,電樞短路電流與勵磁電流的關系曲線,即

同步發(fā)電機短路特性如圖5-28(a)所示。同步發(fā)電機短路時,發(fā)電機端電壓U=0,電樞繞組電阻Ra很小可忽略不計,電樞回路是純電感電路,ψ=90°。電樞發(fā)電性質為直軸去磁,勵磁磁動勢和電樞反應磁動勢相互抵消,合成總磁動勢和總磁通很小,所以發(fā)電機特性不飽和,短路情況下電動勢相量圖如圖5-28(b)所示。鐵心不飽和時,感應電動勢E0與If成正比(按氣隙線變化),Xd為常數(shù),因此Ik與If呈線性關系,即圖5-28同步發(fā)電機

二、利用空載、短路特性確定Xd和短路比

在一定勵磁電流If下,從短路特性曲線可以得到短路電流Ik,從空載特性曲線可以求出對應的空載電動勢E0,則同步電抗Xd為

發(fā)電機在額定電壓附近運行時,磁路一般處于飽和狀態(tài),同步電抗的飽和值和發(fā)電機的短路比有關。短路比定義為產(chǎn)生空載電壓為額定電壓的勵磁電流If0與產(chǎn)生額定短路電流所需的勵磁電流Ifk之比,用Kc表示。短路比無量綱,為

5.5.2同步發(fā)電機外特性

同步發(fā)電機外特性指在n=nN、If=常數(shù)、cosφ=常數(shù)時,發(fā)電機單機運行時端電壓U與負載電流I的關系曲線,即U=f(I)曲線,如圖5-29所示。圖5-29同步發(fā)電機的外特性

發(fā)電機端電壓隨著負載變化而變化,通常用電壓變化率表示電壓變化的程度,電壓變化率定義為在勵磁電流保持不變的條件下,電機由空載到額定負載運行時電壓變化的百分

值,即

5.5.3同步發(fā)電機調(diào)整特性

同步發(fā)電機的調(diào)整特性指在n=nN、UN=常數(shù)、cosφ=常數(shù)時,發(fā)電機負載電流I與勵磁電流If之間的關系曲線,即If=f(I)曲線。

調(diào)整特性反映的是當發(fā)電機的負載發(fā)生變化時,為保持端電壓不變,發(fā)電機勵磁電流的調(diào)節(jié)特性,如圖5-30所示。圖5-30同步發(fā)電機的調(diào)整特性

5.5.4同步發(fā)電機的損耗和效率

同步發(fā)電機的效率特性指轉速為同步轉速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時,發(fā)電機輸出效率η與輸出功率P2的關系,即n=nN、UN=UNφ、cosφ=cosφN、η=f(P2)。

小結

同步發(fā)電機的特性可分為兩類:一類是空載特性、短路特性,主要用于測定同步發(fā)電機的電抗參數(shù);另一類是外特性、調(diào)整特性和效率特性,主要用于表示單機運行時的運行性能。外特性體現(xiàn)的是發(fā)電機的電壓變化率,調(diào)整特性反映的是發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié),效率特性體現(xiàn)的是發(fā)電機的運行指標。

5.6同步發(fā)電機并聯(lián)運行的方法和條件

5.6同步發(fā)電機并聯(lián)運行的方法和條件同步發(fā)電機單機運行時,隨著負載的變化,同步發(fā)電機的頻率和端電壓將發(fā)生變化,供電質量和可靠性比較差。為了克服這一缺點,現(xiàn)代的電力系統(tǒng)通常將許多發(fā)電廠并聯(lián),每個電廠內(nèi)又由多臺發(fā)電機并聯(lián)運行,稱為無窮大電網(wǎng)。負載的變化對無窮大電網(wǎng)的電壓和頻率的影響減小,電網(wǎng)的供電質量和可靠性提高。風力發(fā)電機組并網(wǎng)示意圖如圖5-32所示。圖5-32風力發(fā)電機組并網(wǎng)示意圖

5.6.1同步發(fā)電機并聯(lián)運行的條件

同步發(fā)電機并聯(lián)時,為了避免電機和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流,以及由此在電機轉軸上產(chǎn)生的沖擊轉矩,待并聯(lián)的發(fā)電機應當滿足如下條件:

(1)發(fā)電機的端電壓和電網(wǎng)電壓有效值相等,相位和極性相同。

(2)發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)的頻率相等。

(3)對三相同步發(fā)電機,要求相序和電網(wǎng)一致。

(4)發(fā)電機的電壓波形和電網(wǎng)電壓波形相同。

同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行示意圖如圖5-33所示。圖5-33同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行示意圖

多臺發(fā)電機并聯(lián)運行有以下優(yōu)點:

(1)提高供電的可靠性。在系統(tǒng)中一臺發(fā)電機發(fā)生故障或需要檢修時,系統(tǒng)中其他發(fā)電機可承擔該發(fā)電機的負載,提高了供電的可靠性。

(2)提高發(fā)電廠的運行效率。多臺發(fā)電機并聯(lián)運行供電時,可根據(jù)負載的變化,決定投入并聯(lián)運行發(fā)電機的臺數(shù),并使每臺發(fā)電機工作在最高效率,提高系統(tǒng)的運行效率。

(3)減少備用容量。

5.6.2同步發(fā)電機一、準確整步法

發(fā)電機投入電網(wǎng)的時機通常用同步指示器來確定。最簡單的同步指示器由3個指示燈組成。同步指示燈的連接方法包括直接接法和交叉接法。直接接法如圖5-34(a)所示,電網(wǎng)A1相和發(fā)電機A相之間連接指示燈1,電網(wǎng)B1相和發(fā)電機B相之間連接指示燈2,電網(wǎng)C1相和發(fā)電機C相之間連接指示燈3;交叉接法如圖5-34(b)所示,電網(wǎng)A1相和發(fā)電機A相之間連接指示燈1,電網(wǎng)B1相和發(fā)電機C相之間連接指示燈2,電網(wǎng)C1相和發(fā)電機B相之間連接指示燈3。投入并聯(lián)運行的方法圖5-34同步指示燈接線圖

準確整步法是使發(fā)電機投入并聯(lián)的條件全部滿足。當指示燈采用直接接法時,電壓相量圖如圖5-35(a)所示,每個指示燈上所承受的電壓分別為ΔU?=U?-U?1,如果電網(wǎng)電壓與發(fā)電機電壓大小、相位和頻率一致,并且兩者相序相同,Δ?U=0,三相的指示燈全熄滅,此時可以合上開關S,將發(fā)電機投入電網(wǎng)進行并聯(lián)運行,因此該方法也稱為熄燈法。當指示燈采用交叉接法時,電壓相量圖如圖5-35(b)所示,指示燈1上所加的電壓為U?A1-U?A=0,指示燈1是滅的,電壓表顯示為0;指示燈2所加的電壓為?UB1-U?C,指示燈3所加的電壓為?UC1-U?B,均不為零,指示燈2、3全亮,此時可以合上開關S,將發(fā)電機投入電網(wǎng)并聯(lián)運行,因此該方法又稱為亮燈法。圖5-35-準確整步法電壓相量圖

二、自整步法

準確整步法的優(yōu)點是投入瞬間電網(wǎng)和電機沒有(或很少)沖擊;缺點是步驟比較復雜,時間長,不能滿足快速并網(wǎng)要求。特別是當電網(wǎng)出現(xiàn)事故后,電網(wǎng)電壓和頻率都在變化,準確整步比較困難,這時可采用自整步法。自整步法電路圖如圖5-36所示。圖5-36自整步法電路圖

自整步的操作步驟如下:

(1)勵磁繞組不接勵磁電源,經(jīng)外電阻短路。

(2)起動原動機將發(fā)電機驅動至接近同步轉速。

(3)將發(fā)電機接入電網(wǎng),在電機定子繞組中產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的電流并產(chǎn)生同步轉速的旋轉磁場。

(4)將勵磁繞組外接電阻切除,接上勵磁電源,通入的勵磁電流產(chǎn)生主極磁場。

(5)牽入同步后再調(diào)節(jié)原動機的輸入功率和勵磁電流使電機進入正常運行狀態(tài)。

小結

大型同步發(fā)電機一般都并聯(lián)運行,由多臺發(fā)電機并聯(lián),多個發(fā)電廠并聯(lián)所組成的電力系統(tǒng),定義為無窮大電網(wǎng),無窮大電網(wǎng)的電壓和頻率為常值。同步發(fā)電機并入無窮大電網(wǎng)運行時,因發(fā)電機工作狀態(tài)的改變對電網(wǎng)影響極小,可認定端電壓、頻率恒定不變,發(fā)電機內(nèi)合成磁場幅值近似不變,轉速恒定。

同步發(fā)電機并網(wǎng)運行時,必須在相序、頻率、電壓大小與相位相同的條件下,才能實現(xiàn)無沖擊電流的并網(wǎng)操作。在發(fā)電機準備投入并聯(lián)運行時,必須要測定和調(diào)整電壓大小、頻率和相序,使之與電網(wǎng)一致。工程應用中,電壓大小可用電壓表測量,相序可以用相序指示器測定,此條件和操作過程稱為整步過程。一般分為準確整步法和自整步法兩種。

5.7并聯(lián)運行時有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定

一、功率方程同步發(fā)電機的功能是將轉軸上由原動機輸入的機械功率,通過電磁感應作用,轉化為電樞繞組輸出的電功率。轉軸輸入的機械功率P1減去空載損耗p0,得到通過定、轉子磁場的相互作用轉換為電能的功率,稱為電磁功率PM,即

空載損耗p0一般包括由機械摩擦和風阻引起的機械損耗pmec,定子鐵心中的渦流和磁滯損耗pFe和附加損耗pad,即

從電磁功率PM中減去電樞銅耗pCu1,可得發(fā)電機輸出的電功率P2。

由式(5-34)~式(5-36)可以畫出同步發(fā)電機的功率流程圖,如圖5-37所示。圖5-37同步發(fā)電機的功率流程圖

二、電磁功率

在同步發(fā)電機中,電磁功率是通過電磁感應作用由機械功率轉換而來的全部電功率,因此電磁功率是能量轉換的基礎。在大型同步發(fā)電機中,電樞繞組電阻很小,可忽略不計,

從式(5-36)可知,此時電磁功率近似等于輸出功率,即圖5-38同步發(fā)電機的電動勢相量圖

三、轉矩方程

把電磁功率方程(5-34)除以同步角速度Ω1,可得到同步發(fā)電機的轉矩方程

式中:T為發(fā)電機的電磁轉矩;T1為原動機的驅動轉矩;T0為發(fā)電機的空載轉矩。

轉矩與功率之間的關系為

5.7.2同步發(fā)電機功角特性

圖5-39同步發(fā)電機的功角特性

最大功率與額定功率的比值定義為同步發(fā)電機的過載能力,即

二、功角的空間概念圖5-40功角的空間概念

5.7.3有功功率調(diào)節(jié)圖5-41同步發(fā)電機有功功率調(diào)節(jié)

5.7.4靜態(tài)穩(wěn)定

同步發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是:當功角δ有微小變化后,電磁功率PM隨著變化,以微分形式表示為圖5-42同步發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定性

【例5-5】一臺凸極同步發(fā)電機,額定電壓UN=400V,每相空載電動勢E0=370V,電樞繞組采用Y接法,每相直軸同步電抗Xd=3.5Ω,交軸同步電抗Xq=2.4Ω,該發(fā)電機并網(wǎng)運行,不計電阻壓降,試求:

(1)額定功角δN=24°時,向電網(wǎng)輸入的有功功率是多少?

(2)能向電網(wǎng)輸送的最大電磁功率是多少?

(3)過載能力為多大?

小結

同步發(fā)電機功率方程反映了電機能量轉換過程中的功率流程,轉矩方程體現(xiàn)了電磁轉矩在發(fā)電機能量轉換過程中的作用。

只有改變原動機輸入的機械功率才能改變發(fā)電機輸出的有功功率,電磁功率(近似于輸出功率)與功角的關系為

當勵磁保持恒定時(E0=常數(shù)),電磁功率PM有一最大值,對應的功角為90°電角度(隱極發(fā)電機)或略小于90°電角度(凸極發(fā)電機)。在dPM/dδ>0的區(qū)域發(fā)電機能穩(wěn)定運行,若輸入功率超過最大電磁功率,發(fā)電機將失步運行。

5.8并聯(lián)運行時無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線

5.8.1無功功率的調(diào)節(jié)一、有功功率保持不變的條件電網(wǎng)所供給的全部無功功率一般由并網(wǎng)的發(fā)電機分擔,因此調(diào)節(jié)并網(wǎng)發(fā)電機輸送給電網(wǎng)的無功功率對于電力系統(tǒng)的正常運行有著重要意義。以隱極發(fā)電機為例,同步發(fā)電機并網(wǎng)運行時,忽略電樞電阻和磁飽和的影響,假定調(diào)節(jié)勵磁時原動機的輸入有功功率保持不變。

根據(jù)功率平衡關系可知,在調(diào)節(jié)勵磁前后,發(fā)電機的電磁功率和輸出的有功功率也保持不變,則

由于端電壓U和直軸同步電抗Xd均為常數(shù),因此

二、無功功率的調(diào)節(jié)

同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)時無功功率調(diào)節(jié)的相量圖如圖5-43所示。由式(5-47)可知,僅調(diào)節(jié)無功功率時,電樞電流I有功功率分量Icosφ保持不變,相量I?的軌跡沿著直線CD移動,又因為E0sinδ等于常數(shù),相量?E0的軌跡應沿著直線AB變化。直線CD與電壓相量U?垂直,直線AB與電壓相量U?平行。在電力系統(tǒng)中通常把AB線稱為有功功率線,CD線稱為有功電流線。圖5-43同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)相量圖

5.8.2同步發(fā)電機的V形曲線

當發(fā)電機并網(wǎng)運行時,電樞電流與勵磁電流的關系曲線如圖5-44所示,該曲線稱為V形曲線。V形曲線是一簇曲線,每一條曲線對應一定的有功功率,每一條曲線都有一個最低點,對應的是cosφ=1的情況。將所有的最低點連接起來,得到一條與cosφ=1對應的線,該線左邊為欠勵磁狀態(tài),輸出超前性(容性)無功功率,右邊對應過勵磁狀態(tài),輸出滯后性(感性)無功功率。

在V形曲線中有一個不穩(wěn)定區(qū)。在不穩(wěn)定區(qū),發(fā)電機不能保持靜態(tài)穩(wěn)定,因為對應一定的有功功率,減小勵磁電流有一個最低限值,當δ=90°時,電動勢?E的端點處于靜態(tài)極限位置,若再減小勵磁電流,發(fā)電機的功率極限將降低而小于輸入的機械功率。由于功率不平衡會導致發(fā)電機失去同步。圖5-44同步發(fā)電機的V形曲線

小結

通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小可以達到調(diào)節(jié)發(fā)電機無功功率的目的。處于過勵磁狀態(tài)時,發(fā)電機向電網(wǎng)輸送滯后的無功功率;處于欠勵磁狀態(tài)時,發(fā)電機向電網(wǎng)輸送超前的無功功率。在有功功率一定時,電樞電流隨勵磁電流的變化曲線稱為發(fā)電機的V形曲線。

5.9同步電動機與同步調(diào)相機

同步電動機和同步調(diào)相機是同步電機的另外兩種運行方式。在要求轉速恒定和需要改善功率因數(shù)的場合,常優(yōu)先選用三相同步電動機,如圖5-45所示。圖5-45-三相同步電動機

5.9.1同步電動機

一、同步電動機工作原理

同步電機工作在同步電動機狀態(tài)如圖5-46(a)所示。同步電動機的定子對稱三相繞組接到三相電源上,轉子軸上連接機械負載。圖5-46三相同步電動機工作原理

二、同步電動機的電壓方