东南大学电机学chap13

第十三章同步发电机在大容量电网上运行1.并联运行2.功角特性3.有功功率调节4.无功功率调节5.同步电机的其他运行方式主要内容同步发电机的并联运行发电机的整步同步发电机的功角特性——隐极机、凸极机有功功率的调节、稳定概念无功功率的调节、V形曲线了解：同步电动机、同步补偿机一、同步发电机的并联运行单机供电的缺点：不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电)，无法实现供电的灵活性和经济性。通过并联可将几台发电机或几个电站并成一个电网。1.1同步发电机并联运行的意义减少发电厂的储备容量发电厂可以根据负荷的发展，相应地逐步增加发电机的台数。提高发电厂运行的经济性发电厂可按照负荷变化倩况，确定投入并联运行的发电机台数。提高供用电的质量和可靠性由许多发电厂组成的电力系统，容量大，负荷变化时对系统的电压和频率的影响就小。1.2并联运行的基本条件必须与电网有相同的额定电压和相同的额定频率因激磁可以自由调节、空载电势可以不相同（同步电抗的数值并不能决定负载电流的分配——与变压器并联运行对照）。同步电抗有不同数值的发电机可并联运行，并获得合理的负载分配——通过功率的调节手段。电压幅值相同电压相序一致初相角一样二、同步发电机的整步并列、并车、整步——将发电机并联至电网的手续在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。2.1并车条件使发电机每相电势瞬时值与电网电压瞬时值保持一直相等1.相同的相序2.相等的电压——波形、大小和相位3.相等或接近的频率波形由设计、制造自行满足频率不同，矢量E与U将产生相对运动，即产生一直变化的环流，引起发电机内的功率震荡波形不同，如发电机中有高次谐波，将产生高次谐波环流，增加运行时损耗如电压大小、相位不同，也产生一换流。如在极性相反时投入，环流将达到20-30IN，在电磁冲力作用下，定子绕组端部将受到大的冲击2.2并车的准备工作1.检查并车条件通常用电压表测量电网电压，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压U=U1。2.确定合闸时刻借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。同步指示灯并车方法：①通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替。如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；③通过调节发电机的转速改变频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明频率已十分接近，等待灯光完全变暗的瞬间（相位相同），即可合闸并车同步指示灯并车方法：①通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等；②电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，如灯光同步则说明相序不一致；③通过调节发电机的转速改变频率，直到灯光旋转十分缓慢时，说明频率十分接近，这时等待灯3完全熄灭的瞬间到来，即可合闸并车。2.3自整步法前提：相序一致将励磁绕组通过电阻短接拖动到接近同步速(相差2~5％)，在无励磁电流的情况下，将发电机接入电网再接通励磁并调节励磁，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程结束。需要注意的是，励磁绕组必须通过一限流电阻短接，因为直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。优点：操作简单，方便快捷；缺点：合闸时有冲击电流。约为励磁电阻的10倍适用于事故状态下的并车三、隐极同步发电机的功角特性功率流程图等效电路相量图pcu2电磁功率PM与励磁系统的情况有关。如是同轴励磁机，则P1中应扣除输入励磁机的全部功率；如是单独拖动的电动机-励磁机组，则励磁损耗pcu2与P1无关，由励磁机组供给。saxIjrIUE0•等效电路•相量图功角内功率因数角功率因数角3.1功率关系式sinsinsinsin0coscoscos2002022002100002ssMssssssssaaMzEzUEPzUzUEPzUzEZUEIzZxrtgEEUUIEIErIUIPIUUIP，则，则设sinsin0max0PxUEPPrsMa，则如忽略取实部，有功3.2功角的时空概念在时间上：端电压（U与E相位基本相同）和励磁磁势之间的相位差在空间上：合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。稳定运行时，Ff和F之间无相对运动，固定。功角为正值时，为发电机运行。3.3隐极机的功角特性sinsinmax0PxUEPPsM发电机运行电动机运行过载能力kM最大功率与额定功率之比越大越小，则，则设额定功率时功角MNNMNsNNkkxUEPsin1sin0•减小xs，可减小δN，即有较大短路比，则电机过载能力大考虑电枢电阻后的功角特性电枢电阻的存在，使最大功率减小23.4隐极机的转矩特性转矩特性与功角特性形状相同pppnnzUEpPpPTsMM1602602sin110电角速度例题13-1思考题13-1，2作业13-1四、凸极机的功角特性cossin0UExIUxIddqq2sin2sinsincoscoscos20qdqdddqMxxxxUxUEUIUIUIUIPP•磁阻功率原因：凸机极电机直轴和交轴位置的磁阻不一样，电枢磁密矢量Ba与磁势磁势Fa不重合1.作出相量图2.推导关键：先作出E0的方向2sin2sin20qdqddxxxxUxUEP发电机电动机例13-2注意：对应最大功率的功角与隐极电机进行比较计算出：根据极值条件：90700ddPM五、有功功率的调节稳定不稳定5.1有功功率的调节10MPPP功率平衡P=电机的极限功率1．空载时：P=PM=0P1=P0，处于平衡状态δ=02．增加机械功率输入：P1P0，P1-P00过渡过程：电机加速，转子磁场位置将超前合成磁场，δ＞0随着δ增加，P=PM0增加，当达到P1-P0=PM时，电机加速过程结束稳定运行：转化来的电磁功率，使输出有功功率P发电机内部自动改变位移角，相应改变电磁功率和输出功率，达到新的功率平衡（如保持励磁电流不变）P1-P0PM问题：若输入机械功率发生突然变化，发电机的运行状况若输出端发生突然变化，…5.2静态稳定扰动——发电机输入功率的微动静态稳定——瞬时扰动消除后继续保持原来的平衡运行状态MbaPPa，，转子加速，点：01，达到原有的功率平衡，转子减速扰动消失后，abMbPPP01ad点正常工作点点静态不稳定结论：处于功角特性的曲线上升部分的工作点，是静态稳定的，即0ddPM概念：比整步功率空载时，δ=0，Pss最大，最稳定δ=π/2，Pss=0，将进入不稳定状态δπ/2，Pss0，失去稳定ddPPMsss2cos11coscos200dqdsssssxxUxUEPxUEP凸极机：隐极机：5.3动态稳定扰动——负载突然变化（加、卸、短路、失磁、电压突变）a点：原正常运行点曲线2：电网电压因事故明显降低曲线3：电压降低很大分析：比较下列情况电机的稳定性短路比大小：短路比大，则同步电抗小，Pmax大，一定P时，δ角较小，稳定性好。过激与欠激：有功一定时，过激时E0大，δ角小，稳定性好。轻载与满载：激磁相同时，Pmax相同，轻载时δ角小，稳定性好。直接接电网或通过电抗接电网：通过外电抗接电网，则最大输出功率由电抗分配，较直接接电网时小，一定P时，δ角较大，稳定性差。六、无功功率的调节六、无功功率的调节不计电枢电阻时隐极电机的无功功率sssxUxUEQxUEIUIQ200coscossinsin6.1隐极机的无功功率功角特性设功率为PT，运行于a点，功角δaPTδaQa假设原动机有功功率不变，减小励磁电流，则E0减小功角特性幅值降低，运行点变为b点，功角为δb，相应无功变为Qb，即减小了无功输出。（静态稳定度降低）δb6.2有功不变时的无功调节constEconstxUEPconstIconstUIPsMsincoscoscos00当调节励磁时，E0发生变化，使定子电流I和功率因数同时变化6.3无功功率的V形曲线电枢电流和激磁电流之间关系的曲线。（有功功率保持不变时）对应于不同的有功功率，有不同的V形曲线。当输出的功率值愈大时，曲线愈向上移。cosθ=0.8超前cosθ=0.8滞后过激欠激结论：对于每一给定的有功功率都有一允许的最少激磁，进一步减小激磁将使发电机失去稳定。结论：无功功率调节特性当发电机与无穷大电网并联时，调节激磁电流的大小，就可以改变发电机输出的无功功率，不仅能改变无功功率的大小，而且能改变无功功率的性质。当过激时，电枢电流是滞后电流，发电机输出感性无功功率。当欠激时，发电机输出容性无功功率，电枢电流是超前电流。例题13-3讲解例题分析（13.3）一汽轮发电机，额定功率因数为0.8（滞后），同步电抗为xs*=1.0，并联在无穷大电网上运行（1）供结90%额定电流时的输出有功和无功（额定功率因数），空载电动势E0和功角δ；（2）调节机械输入，使输出有功功率达到额定的110%，如励磁保持不变，则δ角和无功如何变化；（3）如需无功保持不变，如何调节励磁电流，求此时的空载电动势E0和功角δ。例题分析（13.3）一汽轮发电机，额定功率因数为0.8（滞后），同步电抗为xs*=1.0，并联在无穷大电网上运行*1010Uj分析：1.并联在无穷大电网上，不论输入机械功率、励磁电流和负载如何变化，则输出电压保持为额定电压；2.计算空载电动势需先知道输出电流的相量****0sxIjUE***rajIIII解：90%额定电流，且有额定功率因数，则输出有功功率为0.72，无功功率为0.54空载电动势例题分析（13.3）一汽轮发电机，额定功率因数为0.8（滞后），同步电抗为xs*=1.0，并联在无穷大电网上运行（1）供结90%额定电流时的输出有功和无功（额定功率因数），空载电动势E0和功角δ；54.072.0)6.08.0(*9.0)(8.0cos9.0*jjIII滞后1.2570.172.054.11*)54.072.0(1*0jjjE解：有功为额定的110%，则P*=0.8*1.1=0.88励磁保持不变，则空载电动势E0=1.70（大小不变）根据电压方程式，反过来计算输出电流例题分析（13.3）一汽轮发电机，额定功率因数为0.8（滞后），同步电抗为xs*=1.0，并联在无穷大电网上运行（2）调节机械输入，使输出有功功率达到额定的110%，如励磁保持不变，则δ角和无功如何变化；0****sin,sEUPx由功角特性计算出=31.2**0**1.70(cos31.2sin31.2)1(0.720.54)10.4540.88sjIxEUjjjj励磁不变，有功增加，则δ增加，无功减少解：有功为额定的110%，则Ia*=0.8*1.1=0.88保持无功不变，即Ir*=0.54根据电压方程式计算空载电动势空载电动势的有效值有1.7增加到1.77，则需要增加励磁电流。例题分析（13.3）一汽轮发电机，额定功率因数为0.8（滞后），同步电抗为xs*=1.0，并联在无穷大电网上运行（3）如需无功保持不变，如何调节励磁电流，求此时的空载电动势E0和功角δ。*0.880.54Ij0****1(0.880.54)*11.540.881.7729.8sEUjIxjjj思考题发电机的定子电流的功率因数的确定1.单独给对称负载供电时，由负载阻抗决定2.与大电网并联时，负载