1、同步电机篇同步电机篇第 四 篇第十六章第十六章 同步发电机的并列运行同步发电机的并列运行本章基本要求：本章基本要求：掌握同步发电机并列运行的条件和方法；掌握同步发电机并列运行的条件和方法；掌握同步发电机并列运行时有功功率功角特性及有掌握同步发电机并列运行时有功功率功角特性及有功功率的调节和静态稳定概念功功率的调节和静态稳定概念；掌握同步发电机并列运行时无功功率功角特性及无功掌握同步发电机并列运行时无功功率功角特性及无功功率的调节和功率的调节和U U形曲线。形曲线。本章重点和难点：本章重点和难点：重点重点是并列运行条件和方法、功角特性、有功功率的调节和静是并列运行条件和方法、功角特性、有功功率的
2、调节和静态稳定、无功功率的调节和态稳定、无功功率的调节和U U形曲线形曲线 。难点难点是功角特性和是功角特性和U U形曲线。形曲线。1.1.单机供电的缺点：单机供电的缺点：不能保证供电质量不能保证供电质量(电压和频率的稳定性电压和频率的稳定性)和和可靠性可靠性(发生故障就得停电发生故障就得停电)；无法实现供电的灵活性和经济性。；无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可通过多机并联来改善。这些缺点可通过多机并联来改善。2.2.通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区都是把几
3、台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网电网)。3.3.电网供电优点：电网供电优点：提高了供电提高了供电可靠性可靠性。一台电机故障或检修不会引起停电事故。一台电机故障或检修不会引起停电事故。提高了供电的提高了供电的经济性和灵活性。经济性和灵活性。若水电厂与火电厂并联，在枯若水电厂与火电厂并联，在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电。用电高峰期和低谷期可灵水期和旺水期两种电厂可以调配发电。用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量，提高发电效率和供电灵活性。活决定投入电网的发电机数量，提高发
4、电效率和供电灵活性。提高了提高了供电质量供电质量。电网容量大。电网容量大(相对于单台发电机或个别负载相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大可视为无穷大)，单台发电机投入与停机、个别负载变化对电网，单台发电机投入与停机、个别负载变化对电网影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。同步发电机并联到电网后其电压、频率和电网一致不能单独变化。同步发电机并联到电网后其电压、频率和电网一致不能单独变化。无穷大电网的两个基本特征无穷大电网的两个基本特征:、电网上并列运行的发电机总容量比任意一台发电机的容量、电网上并列运行的发电机总容量比任
5、意一台发电机的容量大得多；大得多；、任意一台发电机有、无功功率的变化对电网的电压和频率、任意一台发电机有、无功功率的变化对电网的电压和频率影响甚微，也就是说电网的频率和电压是不变的恒值。影响甚微，也就是说电网的频率和电压是不变的恒值。无穷大电网的含义无穷大电网的含义:是指电网的容量相对于待并网的发电是指电网的容量相对于待并网的发电机容量为无穷大。机容量为无穷大。(1)S(1)S，(2)Z(2)ZS S 00，(3)U(3)US S=C=C，(4)f(4)fS S=C=C 发电厂里的发电机总是并联在一起运行的。发电厂与发电发电厂里的发电机总是并联在一起运行的。发电厂与发电厂之间也是并联在一起组成
6、电力系统，同步发电机的并列运行厂之间也是并联在一起组成电力系统，同步发电机的并列运行是指发电机在是指发电机在无穷大电网无穷大电网上的运行。上的运行。将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应的母线上，或将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应的母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。把同步发电机并联至电网的过程称为电。把同步发电机并联至电网的过程称为投入并列投入并列，或称为，或称为并联、并联、并车、整步并车、整步。在并列时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同。在并列时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机
7、受到损坏、电网遭受干扰，如图所示。步发电机受到损坏、电网遭受干扰，如图所示。1.1.提高供电的提高供电的可靠性可靠性；2.2.提高供电的提高供电的经济性经济性；3.3.提高提高电能的质量电能的质量。（主要是（主要是U U和和f f）1.1.准同步法准同步法2.2.自同步法自同步法 同步发电机与电网并列投入时同步发电机与电网并列投入时,必须避免产生巨大的冲击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（电磁冲击、机械冲击）、电流，以防止同步发电机受到损坏（电磁冲击、机械冲击）、电网遭受干扰。因而，要实现并列运行，需要满足一定的并列电网遭受干扰。因而，要实现并列运行，需要满足一定的并列条件
8、。根据待并列的发电机励磁情况的不同，并列的方法和条条件。根据待并列的发电机励磁情况的不同，并列的方法和条件也不同。件也不同。准同步并列法就是准同步并列法就是将发电机调整到完全符合并列条件后的合将发电机调整到完全符合并列条件后的合闸操作过程；闸操作过程；即让待并列发电机首先应处在空载励磁状态下工作，即让待并列发电机首先应处在空载励磁状态下工作，然后调节发电机使其满足一定的条件再并入电力系统。然后调节发电机使其满足一定的条件再并入电力系统。待并发电机端电压待并发电机端电压U UF F与系统电压与系统电压U U，即，即U UF F=U=U；待并发电机端电压的相位与电力系统电压的待并发电机端电压的相位
9、与电力系统电压的；待并发电机的频率待并发电机的频率f fF F与电力系统与电力系统，即，即f fF F=f=f；待并发电机的相序与电力系统待并发电机的相序与电力系统。U Uxh hI Ij jU UF FU Uh hI I此时此时,ab,ab两端存在有电位差为两端存在有电位差为:h hI IF FU UU Us sU Uh hI IV Va ab bUUUF 合闸时由于电位差的作用发电机将合闸时由于电位差的作用发电机将产生冲击电流，即产生冲击电流，即:jxjxU UU UjxjxU UI IF Fh h程程中中的的电电抗抗并并列列合合闸闸过过x x为为发发电电机机 冲击电流为无功分量，虽不冲击
10、电流为无功分量，虽不会加重原动机的负担，但会在电会加重原动机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的冲击力，使枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢绕组端部受冲击力的作用而电枢绕组端部受冲击力的作用而变形。变形。h hI IF FU UU Us sU Uh hI IV Va ab b:相相量量图图,U U稍稍超超前前U U若若F FU UU UF FU Uh hI I同理此时同理此时,ab,ab两端存在有电位差为两端存在有电位差为:UUUF 合闸时由于电位差的作用发电机也合闸时由于电位差的作用发电机也将产生冲击电流将产生冲击电流I Ih h。:电电压压与与电电流流相相量量如如图图反反相相,U U和和U U
11、若若F FU UU UF FU U0 01 18 80 0 电位差可达发电机电位差可达发电机电压的两倍，若此时并电压的两倍，若此时并列，会产生很大的冲击列，会产生很大的冲击电流，可达额定电流的电流，可达额定电流的20203030倍。发电机会因倍。发电机会因遭受巨大的冲击电磁力遭受巨大的冲击电磁力而损坏。而损坏。h hI IF FU UU Us sU Uh hI IV Va ab b度度不不同同的的情情况况。为为大大小小相相等等而而旋旋转转角角速速U U和和U U(1 1)F F电电压压。时时大大、时时小小变变化化的的拍拍振振为为瞬瞬时时值值的的幅幅值值有有规规律律U U(1)(1)拍振电压产生
12、拍振电流使电枢绕组端部受力变拍振电压产生拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕组发热。形，使电枢绕组发热。(2)(2)有功电流有功电流IhIh和转子磁场作用在转轴上时而产生和转子磁场作用在转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，导致发电机振动。制动转矩、时而产生驱动转矩，导致发电机振动。F FU UU UU Uh hI Ih hP PI IF FF FU UU Uh hI Ih hP PI IF FU U由上分析可知由上分析可知:频率差过大发电机不能并列；频率差较小时，靠频率差过大发电机不能并列；频率差较小时，靠 “自整步自整步”作用，可以把发电机拉入同步。作用，可以把发电机拉入同步。F
13、FU UU UU Uh hI Ih hP PI IF FF FU UU Uh hI Ih hP PI IF FU Uf f。步步，直直到到f f使使转转子子减减速速牵牵入入同同对对转转轴轴产产生生制制动动转转矩矩，I I量量的的有有功功分分I I，冲冲击击电电流流即即发发电电机机输输出出有有功功功功率率，相相位位差差小小于于9 90 0U U与与I I，U U超超前前U U时时,f f当当f fF Fh hP Ph h0 0F Fh hF FF Ff f。步步，直直到到f f矩矩，使使转转子子加加速速牵牵入入同同对对转转轴轴产产生生驱驱动动转转I I的的有有功功分分量量I I冲冲击击电电流流吸
14、吸取取有有功功功功率率，即即发发电电机机从从电电力力系系统统9 90 0相相位位差差大大于于U U与与I I。U U滞滞后后U U时时,f f当当f fF Fh hP Ph h0 0F Fh hF FF F 通常使待并发电机的频率稍高于电力系统通常使待并发电机的频率稍高于电力系统的频率，并且在电压差为零的时间将待并发电的频率，并且在电压差为零的时间将待并发电机合闸投入。机合闸投入。流而危及电机。流而危及电机。它将产生巨大的冲击电它将产生巨大的冲击电,U U3 3U恒等于U恒等于,恒差120恒差120U U与与U U因为此时因为此时机绝不能并列,机绝不能并列,当电压相序不同的发电当电压相序不同的
15、发电F F0 0F F 因此，发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件因此，发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如允许有一定的偏差，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率，频率偏差不超过偏差不超过0.2%0.2%0.5%0.5%（0.10.10.25Hz)0.25Hz)。1)1)电枢绕组端部受电枢绕组端部受电磁力电磁力变形变形;2)2)转轴上受冲击转轴上受冲击转矩转矩的作用的作用,使机轴扭曲变形使机轴扭曲变形;3)3)电枢绕组电枢绕组发热发热；4)4)导致发电机导致发电机振动振动。1 1、电机和电网之间有环流，定子绕组端
16、部受力变形。、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。2 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。3 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。效率降低。4 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。流，危害电机安全运行。1.1.待并发电机端电压待并发电机端电压U UF F与系统电压与系统电压U U，即，即U UF F=U=U；2.2.待并发电机端电压的相位与电力系统电压的待并发电机端电压的
17、相位与电力系统电压的；3.3.待并发电机的频率待并发电机的频率f fF F与电力系统与电力系统，即，即f fF F=f=f；4.4.待并发电机的相序与电力系统待并发电机的相序与电力系统。按准同步条件进行并列操作的方法分为按准同步条件进行并列操作的方法分为:1):1)2)2)。(1)(1)原理接线，如图所示原理接线，如图所示:(2)(2)同步表法的操作过程同步表法的操作过程(3)(3)同步表法目的同步表法目的 同步表法目的是在仪表同步表法目的是在仪表的监视下，调节待并发电机的监视下，调节待并发电机的电压和频率，使之符合电的电压和频率，使之符合电力系统并列的条件。力系统并列的条件。(4)(4)同步
18、表法操作说明同步表法操作说明 同步表法的操作过程，同步表法的操作过程，包括各物理量的调节及并列包括各物理量的调节及并列断路器的投入，可由运行人断路器的投入，可由运行人员手动完成，也可用一套自员手动完成，也可用一套自动准同步装置来完成。动准同步装置来完成。(5)(5)各种规格型号的同步表各种规格型号的同步表各种规格型号的同步表各种规格型号的同步表 灯光法灯光法就是用三只灯泡跨接于电力系统电网与发电机的对应就是用三只灯泡跨接于电力系统电网与发电机的对应相之间，通过观察灯光明暗来判断同步情况和确定投入并列的时相之间，通过观察灯光明暗来判断同步情况和确定投入并列的时机。机。灯光法灯光法通常分为通常分为
19、:直接接法直接接法(熄灭灯光法熄灭灯光法)和和交叉接法交叉接法(旋转灯旋转灯光法光法)两种。两种。(2)(2)并列操作方法：并列操作方法：调节发电机励磁电流大小使其端电压与电网调节发电机励磁电流大小使其端电压与电网电压相等；电压相等；(1)(1)原理接线图原理接线图 调节相序，如果相序一致，灯光应表现为明调节相序，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如灯光不是明暗交替说明相序不一暗交替，如灯光不是明暗交替说明相序不一致，应调整发电机的出线相序或电网的引线致，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；相序，严格保证相序一致；调节转速调节转速n n，改变频率，直到灯光明暗交替，改变
20、频率，直到灯光明暗交替频率很低，等待灯光完全变暗的瞬间到来，频率很低，等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车；即可合闸并车；并联后的依靠自整步作用牵入同步。并联后的依靠自整步作用牵入同步。(3)(3)熄灭灯光法检查相序原理相量图熄灭灯光法检查相序原理相量图(1)(1)原理接线图原理接线图说明说明:如图可见，灯如图可见，灯1 1的的接法不变，灯接法不变，灯2 2和和3 3交叉交叉接于发电机的端点。接于发电机的端点。首先利用灯光熄灭法检查相序是否一首先利用灯光熄灭法检查相序是否一致；而后，按旋转灯光法原理图改变接线致；而后，按旋转灯光法原理图改变接线方式观察灯光的明暗情况来判断。方式观察灯光的明
21、暗情况来判断。(2)(2)并列操作方法：并列操作方法：若灯若灯1 1熄灭，而熄灭，而2 2，3 3同时明亮时，应同时明亮时，应该是发电机和电网完全重合时，该是发电机和电网完全重合时，即同相位，即同相位，同频率，同大小，可以合闸。同频率，同大小，可以合闸。(3)(3)旋转灯光法原理相量图旋转灯光法原理相量图 问题问题:当频率不当频率不相等或不同相序相等或不同相序时，灯光又是怎时，灯光又是怎样的情况呢？样的情况呢？频率不等时的灯光明暗情况频率不等时的灯光明暗情况 此时，发电机和电网的角速度此时，发电机和电网的角速度,1 1不相等，其中，令不相等，其中，令A1A1，B1B1，C1C1表示电网电压，表
22、示电网电压，A A，B B，C C表示发电机电压，灯光明暗情况表示发电机电压，灯光明暗情况如图所示：如图所示：a)a)灯灯1 1灭，灭，2 2、3 3亮亮b)b)灯灯2 2灭，灭，1 1、3 3亮亮c)c)灯灯3 3灭，灭，2 2、1 1亮亮正因为我们所看到正因为我们所看到的是旋转的灯光因的是旋转的灯光因此叫做此叫做。灯光法总结：灯光法总结：1 1、在、在(直接接法直接接法)中：频率不同时，灯光是同时明灭中：频率不同时，灯光是同时明灭的，相位不同时，是旋转的。的，相位不同时，是旋转的。2 2、在、在(交叉接法交叉接法)中：当频率和相位不相同时，灯光中：当频率和相位不相同时，灯光是依次旋转的。是
23、依次旋转的。相序不同时的灯光明暗情况相序不同时的灯光明暗情况 若相序不同就进行并网运行，将看到的现象是三个灯同时明若相序不同就进行并网运行，将看到的现象是三个灯同时明暗。因为我们采用的是交叉接法，如果相序是对的，应该是依次暗。因为我们采用的是交叉接法，如果相序是对的，应该是依次旋转的，而现象却是同时明暗，这就证明实际上是直接接法，这旋转的，而现象却是同时明暗，这就证明实际上是直接接法，这时只需调换发电机接到开关时只需调换发电机接到开关K K上上B B、C C两相的接法，就可以改正相两相的接法，就可以改正相序。序。综上所述，准同步并列虽可避免过大的冲击电流，但操作综上所述，准同步并列虽可避免过大
24、的冲击电流，但操作复杂，要求有较高的精确性，需要较长时间进行调整，也要求复杂，要求有较高的精确性，需要较长时间进行调整，也要求操作人员具有熟练的技能。特别在电力系统发生故障时，采用操作人员具有熟练的技能。特别在电力系统发生故障时，采用该方法较为困难。该方法较为困难。如图所示，在相序正确的前提下，起动未加励磁的发电机，如图所示，在相序正确的前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速当其转速接近同步速(相差相差25)时，合上同步开关，将发电时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。需要注意的是，励磁绕组必须通过一限流电阻短
25、接需要注意的是，励磁绕组必须通过一限流电阻短接(灭磁电灭磁电阻阻)，因为直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，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。自同步法的将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。自同步法的优点优点是：是：操作简单，方便快捷；操作简单，方便快捷；缺点缺点是：合闸时有冲击电流，一般不采用。是：合闸时有冲击电流，一般不采用。在没有接通励磁电流的情在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网，再接况下将发电机接入电网，再接通励磁并调节励磁强弱，依靠通励磁并调节励磁强弱，依靠定子磁场和转子磁场之间的电定子磁场和转子磁场之间的电磁转
26、矩将转子拉入同步转速，磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。并车过程即告结束。自同步（自整步）法：自同步（自整步）法：利用同步指示灯进行并联的方利用同步指示灯进行并联的方法，在现代的电厂中已不再采用，而代之以各种半法，在现代的电厂中已不再采用，而代之以各种半自动或全自动的并车装置，不过它们的基本功能还自动或全自动的并车装置，不过它们的基本功能还是一致的。是一致的。合闸瞬间必须注意的是：合闸瞬间必须注意的是：励磁绕组必须通过一限流电励磁绕组必须通过一限流电阻短接起来。阻短接起来。因为励磁绕组如果开路，将在其中感因为励磁绕组如果开路，将在其中感应出危险的高电压；励磁绕组如果直接短路，将在应出
27、危险的高电压；励磁绕组如果直接短路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流，定、转子绕组中产生很大的冲击电流，自同步法的优点是：自同步法的优点是：操作简单，能在紧急情况下将发操作简单，能在紧急情况下将发电机迅速并入电网；缺点是：合闸时有冲击电流。电机迅速并入电网；缺点是：合闸时有冲击电流。自同步并列法小结自同步并列法小结思考题思考题上一节上一节 思考题答案思考题答案一、电磁功率和功角特性一、电磁功率和功角特性输入输入功率功率P P1 1机械机械损耗损耗p p附加附加损耗损耗p p铁芯铁芯损耗损耗p pFeFe电磁电磁功率功率P PM M定子定子铜损铜损p pcucu输出输出功率功率P P2 2励
28、磁励磁损耗损耗p pCufCuf 同步发电机转轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用同步发电机转轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用转换为电功率输送给负载。发电机能量传递过程，如图所示转换为电功率输送给负载。发电机能量传递过程，如图所示:01CufFe1MpP)ppp(pPP(1)(1)电磁功率电磁功率P PM M:0M1pPPCufFe0ppppp式中式中:p p0 0为空载损耗。为空载损耗。01MMM功率和转矩间的关系功率和转矩间的关系P=MP=M,其中其中=2=2n/60n/60为转子机械角速度。为转子机械角速度。从原动机输入的驱动转矩从原动机输入的驱动转矩发电机负载时制动性质的电磁转矩发
29、电机负载时制动性质的电磁转矩发电机的空载制动转矩发电机的空载制动转矩(2)(2)输出功率输出功率P P2 2:CuM2pPP 由于在大型同步发电机中，定子铜耗是极小由于在大型同步发电机中，定子铜耗是极小的一部分，为了分析简单，常常忽略，因此：的一部分，为了分析简单，常常忽略，因此：mUIcosPP2M从凸极同步发电机的相量图可看出从凸极同步发电机的相量图可看出:mUIsinUIsmUIcosUIc)muIcos(mUIcosPM又从凸极同步发电又从凸极同步发电机的相量图可看出机的相量图可看出:cosIIq sinIId凸极同步发电凸极同步发电机的相量图机的相量图sinmUIcosmUIPdqM
30、再从凸极同步发电机的相量图可看出再从凸极同步发电机的相量图可看出:qqxsinUId0dxcosUEI最后：可得最后：可得电磁功率电磁功率P PM M为为 2002sin)11(2sinsincoscossinMMdqddqMPPXXUmXUEmXUEmUXUmUP基本电磁功率基本电磁功率附加电磁功率附加电磁功率 是由于直轴、交轴磁阻不同引起的，是由于直轴、交轴磁阻不同引起的，它与励磁无关，故也称它与励磁无关，故也称磁阻功率磁阻功率，必产，必产生一个相对应的附加电磁转矩。生一个相对应的附加电磁转矩。并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频
31、率一定、参数（参数（）为常数、空载电动势）为常数、空载电动势 不变（即不变（即 不变）不变）时，时，称为同步发电机的称为同步发电机的。tqd、X、XX0EfIf f()P PM M 对于隐极同步发电机，由于对于隐极同步发电机，由于x xd d=x=xq q=x=xt t，所以只有基本电磁功率，所以只有基本电磁功率，即即sin0tMXUEmP(1)(1)对于隐极对于隐极(汽轮汽轮)同步发电机的功角同步发电机的功角特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。成成正正比比;i in n与与功功角角的的正正弦弦函函数数s s1 1)电电磁磁功功率率P PM M机机运运行行。发发电电机机转转为为电电动动为为负负
32、值值,P P,1 18 80 03 3)当当M M0 0电电磁磁功功率率达达到到极极限限值值;时时9 90 02 2)功功角角0 0，(2)(2)对于凸极对于凸极(水轮水轮)同步发电机的功角特性曲线同步发电机的功角特性曲线水轮发电机的功角特性分两部分水轮发电机的功角特性分两部分:基基本本电电磁磁功功率率sinXUEmPd0mPM18000900mP附加电磁功率附加电磁功率 2sin)X1X1(2UmPdq2mmP PMmaxM结论结论:在在90900 0时就达到功率极限值。时就达到功率极限值。附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点:时时附附加加电电磁磁功功率率最最大大;4 45 5(1 1)0
33、0无无关关;E E(2 2)附附加加电电磁磁功功率率与与0 0产产生生的的。X X由由于于X X(2 2)附附加加电电磁磁功功率率是是q qd d注注:通常，附加损耗只通常，附加损耗只占电磁功率的百分之几。占电磁功率的百分之几。(3)(3)两种同步发电机功角特性的区别两种同步发电机功角特性的区别0P1803)PP902)sinP1)M0MmaxM0M:隐隐极极0)40P1803)PP902)sinP)1MM0MmaxM0M附附加加不不成成正正比比与与:凸凸极极P(4)(4)功角功角的双重物理意义，如图所示的双重物理意义，如图所示 一是空载电动势一是空载电动势E E0 0和端电压和端电压U U两
34、个两个时间相量之间的夹角，时间相量之间的夹角，如图所示如图所示；二是主极励磁磁动势二是主极励磁磁动势F Ff f(0 0)轴线轴线和合成等效磁动势和合成等效磁动势F FR R(R R)轴线两个空轴线两个空间相量之间的夹角间相量之间的夹角(电角度电角度)，如图所如图所示示。之之间间的的空空间间夹夹角角。F F定定子子合合成成磁磁极极与与F F极极之之间间的的夹夹角角即即为为转转子子磁磁由由因因此此,定定子子合合成成磁磁极极)所所产产生生个个等等效效合合成成磁磁极极(简简称称并并假假定定它它是是由由定定子子的的一一合合成成,和和、由由产产生生的的,是是U U假假定定发发电电机机的的端端电电压压是是
35、一一个个虚虚拟拟磁磁通通,R Rf fR R0 0a a0 0R RR RR R转转矩矩）。作作用用力力（制制动动磁磁极极给给转转子子磁磁极极一一个个反反转转，定定子子合合成成动动定定子子合合成成磁磁极极同同步步旋旋，转转子子磁磁极极拖拖一一个个角角。稳稳定定运运行行时时合合成成磁磁极极轴轴线线转转子子磁磁极极轴轴线线超超前前定定子子),0 0(U U超超前前E E在在发发电电机机运运行行时时,0 00 0 故故:夹角夹角的存在使得转子磁极和定子合成等效磁极间的通过的存在使得转子磁极和定子合成等效磁极间的通过气隙的磁力线被扭曲了，产生了磁拉力。在励磁电流不变时，功气隙的磁力线被扭曲了，产生了磁
36、拉力。在励磁电流不变时，功角角愈大，则磁拉力也愈大，相应的电磁功率和电磁转矩也愈大。愈大，则磁拉力也愈大，相应的电磁功率和电磁转矩也愈大。二、有功功率的调节二、有功功率的调节(以隐极发电机为例说明以隐极发电机为例说明)这样，同步发电机转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成这样，同步发电机转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换实现机电能量转换,即将原动机输入的机即将原动机输入的机械能转变为电能输出。械能转变为电能输出。可见，可见，功角功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功
37、功率的大小，而且还反映发电机转它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。密联系起来。发电机空载运行时，原动发电机空载运行时，原动机输入的功率只用来平衡各种机输入的功率只用来平衡各种损耗，此时损耗，此时=0=00 0，E E0 0=U=U。定、。定、转子磁极轴线重合，它们之间转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以，只有径向力而无切向力，所以，P PM M=0=0在功角特性上的在功角特性上的0 0点点(原点原点上上)工作，如图所示。工作，如图所示。
38、M MP P0 0s si in nX XU UE Em mP Pt t0 0M M根据隐极发电机的电磁功率公式根据隐极发电机的电磁功率公式:可知要使发电机输出有功功率可知要使发电机输出有功功率P P2 2P PM M，就必，就必须调节须调节E E0 0的相位角，使的相位角，使E E0 0和端电压和端电压U U之间的功角之间的功角000 0。就要加大原动机的输入功率。就要加大原动机的输入功率(增大汽门或增大汽门或水门的开度水门的开度)，使原动机的驱动转矩大于发电机的，使原动机的驱动转矩大于发电机的空载制动转矩，使转子加速，这样主磁极的位置空载制动转矩，使转子加速，这样主磁极的位置就逐步超前气隙
39、等效磁极的位置。所以，就逐步超前气隙等效磁极的位置。所以，E E0 0将超将超前前U U一个功率角一个功率角，如图所示。，如图所示。如图所示，功率角如图所示，功率角逐渐变大使得电磁逐渐变大使得电磁功率及其对应的制动性质的电磁转矩也逐渐功率及其对应的制动性质的电磁转矩也逐渐增大，当增大，当电磁制动转矩电磁制动转矩M M增大到与输入的增大到与输入的驱驱动转矩动转矩M M1 1相等时，转子就停止加速。相等时，转子就停止加速。M MP P0 0N NP PA A 一旦发电机输入功率与输出功率逐步一旦发电机输入功率与输出功率逐步达到新的平衡状态时，同步发电机便在达到新的平衡状态时，同步发电机便在A A点
40、点稳定运行稳定运行。可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原动机转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越出，只需调节原动机转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。大，有功功率输出就越大。如图所示，无限制的增大原动机的输如图所示，无限制的增大原动机的输入功率，并不能使发电机的输出功率相应入功率，并不能使发电机的输出功率相应地增加，这因为发电机的电磁功率存在一地增加，这因为发电机的电磁功率存在一个极限值，即最大的电磁功率个极限值，即最大的电磁功率P PMmaxMmax的缘故。的缘故。M MP P0 0N NP
41、 PA A0 01801800 09090MmaxMmaxP P三、静态稳定三、静态稳定 并列在电网上的同步发电机，在电网或原动机发生微小扰动并列在电网上的同步发电机，在电网或原动机发生微小扰动时，运行状态将发生变化，当扰动消失后，发电机若能恢复到原时，运行状态将发生变化，当扰动消失后，发电机若能恢复到原来的状态下稳定运行，就称为发电机是来的状态下稳定运行，就称为发电机是“静态稳定静态稳定”的，反之的，反之就是就是“静态不稳定静态不稳定”。静态稳定：静态稳定：指并列在电网上稳定运行的同步发电机，当受电指并列在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继
42、续保网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。持原来稳定运行状态的能力。MP0aaMaPbb 如图所示，假设发电机在如图所示，假设发电机在a a点运行时点运行时发电机具有静态稳定的能力。发电机具有静态稳定的能力。若由于干扰使功角若由于干扰使功角增大到增大到aa点，点，则则P PM M和和M M都增大，迫使电机减速，功角都增大，迫使电机减速，功角变小，电机回到变小，电机回到a a点，如图所示。点，如图所示。aa 若干扰使功角若干扰使功角减小时，有同样结论。减小时，有同样结论。所以所以a a点称为稳定运行点。点称为稳定运行点。如图所示，假设发电机在如图所示，
43、假设发电机在b b点远行时，由于发电机不具有静态点远行时，由于发电机不具有静态稳定的能力，最终将导致转子主磁极和气隙等效磁极失去同步。稳定的能力，最终将导致转子主磁极和气隙等效磁极失去同步。这种情况称为发电机这种情况称为发电机“失步失步”。详细分析见教材详细分析见教材P198-P199P198-P199。发电机静态稳定的条件发电机静态稳定的条件:0d dd dP PM M发电机静态不稳定时发电机静态不稳定时:0d dd dP PM M发电机静态稳定的极限发电机静态稳定的极限:0d dd dP PM M 比整步功率比整步功率(kW/rad):(kW/rad):它是表征同步发电机抗干扰而保持静它是
44、表征同步发电机抗干扰而保持静态稳定的能力。态稳定的能力。对汽轮发电机，对汽轮发电机，比整步功率为比整步功率为MP0synP090 如图所示，在发电机稳定区域内，如图所示，在发电机稳定区域内，P Psynsyn越大，发电机稳定增长越大，发电机稳定增长性越好。性越好。d dd dP PP PM Ms sy yn nc co os sx xU UE Em md dd dP PP Pt t0 0M Ms sy yn nsynP四、静态过载能力四、静态过载能力 在实际运行中，为了供电的可靠性，发电机的极限功率应比在实际运行中，为了供电的可靠性，发电机的极限功率应比额定功率大，电机学称最大电磁功率与额定功
45、率的比值称为同步额定功率大，电机学称最大电磁功率与额定功率的比值称为同步电机的电机的静态过载能力静态过载能力。N NMmaxMmaxm mP PP Pk k静态过载能力表达式静态过载能力表达式:汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力:NNttNMmxUEmxUEmPPksin1sin00max 通常情况下过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是通常情况下过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。发电机的过载能力一般会设计得高一点，是从提高静态稳定发电机的过载能力一般会设计得高一点，是从提高静态稳定观
46、点考虑的，不是从发热观点考虑的。观点考虑的，不是从发热观点考虑的。一般要求发电机的额定运行功率角一般要求发电机的额定运行功率角=20=203535左右。过左右。过载能力载能力K Km m=1.7=1.73 3。思考题一思考题一思考题二思考题二思考题三思考题三思考题答案一思考题答案一思考题答案二思考题答案二思考题答案三思考题答案三 接在电网上运行的负载类型很多，多数负载除了消耗有功功接在电网上运行的负载类型很多，多数负载除了消耗有功功率外，还要消耗电感性无功功率，如接在电网上运行的异步电机、率外，还要消耗电感性无功功率，如接在电网上运行的异步电机、变压器、电抗器等。所以电网除了供应有功功率外，还
47、要供应大变压器、电抗器等。所以电网除了供应有功功率外，还要供应大量滞后性的无功功率。量滞后性的无功功率。电力系统的负载中包括有功功率和无功功电力系统的负载中包括有功功率和无功功率，并列在无穷大容量电力系统上的发电机，若只向电力系统输率，并列在无穷大容量电力系统上的发电机，若只向电力系统输送有功功率，而不能满足电力系统对无功功率的要求时，就会导送有功功率，而不能满足电力系统对无功功率的要求时，就会导致电力系统电压的降低。因此并列后的发电机，不仅要输送有功致电力系统电压的降低。因此并列后的发电机，不仅要输送有功功率，还应输送无功功率。功率，还应输送无功功率。并列运行发电机的特征：并列运行发电机的特
48、征：1.1.电网所供给的全部无功功率一般由并列的发电机分担。电网所供给的全部无功功率一般由并列的发电机分担。2.2.电网的电压和频率不会因为一台发电机运行情况的改变而改变，电网的电压和频率不会因为一台发电机运行情况的改变而改变，即并列发电机的电压和频率将维持常数。即并列发电机的电压和频率将维持常数。3.3.如果保持原动机的拖动转矩不变如果保持原动机的拖动转矩不变(即不调节原动机的汽门、油即不调节原动机的汽门、油门或水门门或水门)，那么发电机输出的有功功率亦将保持不变。，那么发电机输出的有功功率亦将保持不变。一、无功功率的功角特征一、无功功率的功角特征 并列于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频
49、率恒定、参数并列于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（x xd d、x xq q、x xt t）为常数、空载电势）为常数、空载电势E E0 0不变（即不变（即I If f不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()称为同步发电机的称为同步发电机的无功功率功角特性无功功率功角特性。同步发电机输出的无功功率为：同步发电机输出的无功功率为：sinmUIQ由隐极发电机的简化相量图可得由隐极发电机的简化相量图可得:ttxUmxUEmQ20cost t0 00 0t tx xU UE EI Is si in n或或U Uc co os sE Es si in nI Ix x隐极发电机无功功率的功
50、角特性曲线，如图所示隐极发电机无功功率的功角特性曲线，如图所示:Q001EUcos090 几个特殊点说明几个特殊点说明:t0XU)U(EmQ001EUcos0QtXUmQ2090二、无功功率的调节二、无功功率的调节 从能量守恒观点分析，若要调节并列运行同步发电机的无功从能量守恒观点分析，若要调节并列运行同步发电机的无功功率，则不需调节原动机的输入功率，而只需改变励磁电流。增功率，则不需调节原动机的输入功率，而只需改变励磁电流。增大励磁电流，同步发电机的无功功率也相应地增加。大励磁电流，同步发电机的无功功率也相应地增加。QPM1MP1Q09001800sin XUEmPt0M隐极发电机的电磁功率
