電機(jī)學(xué)多媒體課件：第十七章 同步發(fā)電機(jī)在大電網(wǎng)上運(yùn)行

1、第四篇 同 步 電 機(jī)電機(jī)學(xué)多媒體課件系列2013.9 目 錄第十七章 同步發(fā)電機(jī)在大電網(wǎng)上運(yùn)行17.1 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行17.2 同步電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩及功角特性17.3 同步發(fā)電機(jī)的有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定 17.4 無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線17.5 同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)17.1 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)：無窮大電網(wǎng)或無窮大匯流排（U=const、f=const）供電，提高電網(wǎng)質(zhì)量：減少電網(wǎng)儲(chǔ)備容量，在電網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度發(fā)電容量可根據(jù)負(fù)荷變化改變并網(wǎng)發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)，提高發(fā)電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性.提高用電可靠性：?jiǎn)螜C(jī)運(yùn)行方式、大容量負(fù)載、故障檢修對(duì)系統(tǒng)影響小.發(fā)電機(jī)的頻率f等于電網(wǎng)的頻率f1,發(fā)

2、電機(jī)電壓幅值與電網(wǎng)電壓幅值相等，發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序一致.(4)在并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓相角與電網(wǎng)電壓的相角相同。一、并聯(lián)運(yùn)行的條件（P228)條件不滿足時(shí)產(chǎn)生的后果：電機(jī)和電網(wǎng)之間有環(huán)流，危害電機(jī)安全運(yùn)行產(chǎn)生拍振電流和電壓，引起電機(jī)內(nèi)功率振蕩電機(jī)和電網(wǎng)之間有高次諧波環(huán)流，增加損耗， 溫度升高，效率降低二、并聯(lián)運(yùn)行的方法 發(fā)電機(jī)為了投入并聯(lián)運(yùn)行所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程,稱為整步過程.整步方法：準(zhǔn)確整步法和自整步法1、準(zhǔn)確整步法：發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全合乎投入并網(wǎng)的條件，然后投入電網(wǎng)過程。 a）直接接法（燈光黑暗法） b) 交叉接法 (燈光旋轉(zhuǎn)法)a）直接接法（燈光黑暗法）若：f2f1發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓

3、向量之間便有相對(duì)運(yùn)動(dòng):n=60(f2-f1)/p(a)接線圖 (b)相量圖圖17-1直接接法的接線圖和相量圖1）并車步驟:（燈光黑暗法）a、按圖接線：雙方對(duì)應(yīng)相通過指示燈相接.b、檢驗(yàn)雙方電壓：調(diào)節(jié)If ,使雙方電壓相等.c、檢驗(yàn)相序連接是否正確：當(dāng)三組燈同時(shí)明暗時(shí)，說明雙方相序相同;若現(xiàn)象為燈光旋轉(zhuǎn)，說明雙方相序不同,任意對(duì)調(diào)兩相。d、在相序連接正確時(shí)，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)頻率f2接近電網(wǎng)頻率f1，雙方頻率越接近，燈光閃爍頻率越慢。e、當(dāng)燈光閃爍極其緩慢時(shí)，在燈光變暗時(shí)合閘，并車完成。2)原理說明（燈光黑暗法） 在幅值及相序相同但頻率不相等時(shí)，燈兩端的兩組電壓相量以不同的角速度 旋轉(zhuǎn),

4、端點(diǎn)距離 、 、 為三路燈所承受的電壓,隨著兩組相量旋轉(zhuǎn)速度不同,燈電壓在02U之間作周期性變化，燈光亮暗閃爍,閃爍快慢由兩組相量的相對(duì)頻率決定。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其頻率接近電網(wǎng)頻率，燈閃爍快慢，待燈暗時(shí)，兩組相量完全重合,合上開關(guān)并網(wǎng)。b)交叉接法 (燈光旋轉(zhuǎn)法)若：f2f1發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓向量之間便有相對(duì)運(yùn)動(dòng):n=60(f2-f1)/p 1)并車步驟(燈光旋轉(zhuǎn)法)： a、按圖接線：其中兩相對(duì)調(diào)并通過指示燈相接 。b、檢驗(yàn)雙方電壓:調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)If ,使雙方電壓相等.c、檢驗(yàn)連接相序：當(dāng)三組燈明亮發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，說明雙方相序相同;若燈光同時(shí)明暗,任意對(duì)調(diào)兩相.d、在相序連接正確時(shí)，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,

5、使發(fā)電機(jī)頻率f2 接近電網(wǎng)頻率f1，雙方頻率越接近，燈光旋轉(zhuǎn)頻率越慢.e、當(dāng)旋轉(zhuǎn)極其緩慢，在直接相燈光變暗時(shí)合閘,并車完成。優(yōu)點(diǎn)：此法可看出電機(jī)頻率比電網(wǎng)高還是低 在幅值及相序相同但頻率不相等時(shí),燈兩端的兩組電壓相量以不同的角速度 旋轉(zhuǎn),端點(diǎn)距離 、 、 為三路燈承受的電壓.隨著兩組相量旋轉(zhuǎn)速率不同,電壓在02U之間作周期性變化，燈光亮暗旋轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其頻率接近電網(wǎng)頻率，燈光旋轉(zhuǎn)緩慢，待燈1熄滅，2，3同時(shí)明亮?xí)r,兩組相量完全重合,合上開關(guān)并網(wǎng)。2)原理說明（燈光旋轉(zhuǎn)法）f2f11- 2- 3并車過程燈光是旋轉(zhuǎn)的，因此稱燈光旋轉(zhuǎn)法。a)校驗(yàn)發(fā)電機(jī)相序,使其與電網(wǎng)相序一至，通過限流電阻短

6、接勵(lì)磁繞組，把發(fā)電機(jī)拖到接近同步速nn1,在不加If下電樞接入電網(wǎng)。b)電樞接入電網(wǎng)后轉(zhuǎn)子立即加勵(lì)磁If，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子即被自動(dòng)牽入同步。2自整步法并網(wǎng)步驟：準(zhǔn)確整步法的優(yōu)點(diǎn)：投入瞬間電網(wǎng)和電機(jī)沒有沖擊 缺點(diǎn)：整步過程比較復(fù)雜費(fèi)時(shí)。自整步法的合閘瞬間必須注意： 勵(lì)磁繞組必須通過一限流電阻短接起來。因?yàn)閯?lì)磁繞組如果開路，將在其中感應(yīng)出危險(xiǎn)的高電壓；勵(lì)磁繞組如果直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生很大的沖擊電流.自整步法的 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、迅速 缺點(diǎn)：合閘時(shí)沖擊電流大 一、同步電機(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩17.2同步電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩及功角特性發(fā)電機(jī):|P2|PM|輸入功率P1 電磁功率PM機(jī)械損耗pmec 定子

7、銅損Pcua鐵損PFe 輸出功率P2附加損耗Pad圖17-6 同步發(fā)電機(jī)的功率流程圖1功率表達(dá)式a隱極式同步發(fā)電機(jī) 忽略電樞電阻raIqIdb凸極式同步電機(jī) 可以求得電樞電流為: 二、同步電機(jī)的功角特性 PM=f()1隱極式同步發(fā)電機(jī)的功角特性由隱極式同步發(fā)電機(jī)的電壓方程:以 為參考軸，則有 代入功率表達(dá)式得：由 得:由 得: 對(duì)于發(fā)電機(jī)而言，輸出功率即為端點(diǎn)功率，故應(yīng)采用式： 對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，軸上機(jī)械功率即為從定子方通過氣隙合成磁場(chǎng)傳遞到轉(zhuǎn)子方的電功率，故應(yīng)采用式： 如電樞電阻 略去不計(jì)，則， ， 上兩式便化為： 以發(fā)電機(jī)慣例分析：如取發(fā)電機(jī)的 和 為正值，則電動(dòng)機(jī)的 和 均應(yīng)為負(fù)值。 定義

8、：功率或電磁功率和功角之間的函數(shù)關(guān)系PM=f()稱為同步電機(jī)的功角特性。PM 稱為同步功率;當(dāng)忽略電樞電阻ra，則：當(dāng)功角 =900 時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值:發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)PMa)轉(zhuǎn)矩特性 T = f()b)過載能力：最大功率與額定功率之比電磁轉(zhuǎn)矩為:同步電機(jī) 不變,T= f()變化曲線與PM= f()相同1)N 越小，過載能力越強(qiáng)。2)由相量圖可見：XsN功角kM（或 kk=Co/Xs）四電樞電阻ra對(duì)功角特性 PM=f()的影響發(fā)電機(jī):電動(dòng)機(jī):坐標(biāo)原點(diǎn)由o o點(diǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)由o o點(diǎn) Pmax,減小 ,|max|0作同步機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行; 當(dāng) 滯后于 時(shí),P0,即P1-P0 = PM0 發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)

9、輸出電功率P2(有功). 因此,要改變發(fā)電機(jī)有功電功率P2輸出,必須相應(yīng)改變?cè)瓌?dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率P1。 1.物理過程: 同步發(fā)電機(jī)輸出功率的大小及穩(wěn)定運(yùn)行問題，都和功角是緊密相連的。當(dāng)略 和 時(shí)，數(shù)值上 a)空載時(shí): P1=P0 PM=0 =0 此時(shí) 與此同時(shí) 重合轉(zhuǎn)子不再加速, 這時(shí) 與 在空間相差 位移角,在空間以同步速旋轉(zhuǎn)。b)負(fù)載時(shí):調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)P1 ( T1 ), T1T0 電機(jī)轉(zhuǎn)子加速n 使 超前氣隙磁場(chǎng) 一個(gè)位移角 PM 0輸出有功功率P2 。經(jīng)過幾次振蕩后,當(dāng)T1=Tm+T0時(shí)，發(fā)電機(jī)便達(dá)到了一個(gè)新的平衡狀態(tài),由此可見,要調(diào)節(jié)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)輸出功率P2只要調(diào)節(jié)機(jī)械輸入P1,這時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)

10、部自行改變 位移角，相應(yīng)地改變 PM 和 P2 ,達(dá)到的新的平衡。 d) 假使連續(xù)不斷增加發(fā)電機(jī)輸入功率P1,當(dāng)900 時(shí),由功角特性PM=f()可見,PM 隨的增大反而減小,P1-PM-P00 使n i PM 功率不能保持平衡,電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行.2穩(wěn)定區(qū)與不穩(wěn)定區(qū)發(fā)電機(jī)：0/2 為穩(wěn)定區(qū)/2 為不穩(wěn)定區(qū)電動(dòng)機(jī)：-/20為穩(wěn)定區(qū)，- /2 PssU2U3)分析1：U1 U2 因故電網(wǎng)電壓跌落，曲線1 曲線2，由于機(jī)械慣性，功角不能突變，工作a b點(diǎn)。顯然 ，轉(zhuǎn)子沿曲線2加速到c點(diǎn)，雖然此瞬間 ，但這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，由于轉(zhuǎn)子動(dòng)能的作用仍繼續(xù)加速到d;這時(shí) ，轉(zhuǎn)子減速,功角減小，運(yùn)行點(diǎn)自d

11、點(diǎn)向c點(diǎn)移動(dòng)。由于c點(diǎn)轉(zhuǎn)速已低于同步轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)仍不會(huì)穩(wěn)定，此理類推，發(fā)電機(jī)將在c點(diǎn)經(jīng)過數(shù)減幅振蕩，最后才穩(wěn)定在c點(diǎn)。上述過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和功角的變化情況，如曲線I所示。分析2（U1 U3）：電網(wǎng)電壓下降很大，曲線1 曲線3，降壓瞬間，工作點(diǎn)將移到曲線3上的b點(diǎn)，當(dāng)位移角自點(diǎn) 經(jīng)過 點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子由于動(dòng)能作用將越過f點(diǎn)到達(dá)點(diǎn) ，而越過f點(diǎn)后，電磁功率變小， ，轉(zhuǎn)子又將加速，工作點(diǎn)不可能再返回到 點(diǎn)，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)加速導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失去同步。這個(gè)過程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和功角變化情況，如曲線II所示。不穩(wěn)定產(chǎn)生后果: 由于電網(wǎng)與單機(jī)頻率不同,引起電樞產(chǎn)生 很大沖擊電流。 由于輸入輸出不平衡，多余功率可能引起 轉(zhuǎn)子超速，發(fā)電

12、機(jī)損壞。措施：改變勵(lì)磁來保證靜態(tài)穩(wěn)定（這將在無 功調(diào)節(jié)中討論） 當(dāng)輸出有功功率不變，即P2=const時(shí),調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If 調(diào)節(jié)無功功率jI3xsmmqIcosqInUdqE0 sindjIxsqI1I2nUI3jI4xsdjI2xsjI1xsE0E03I4E04E02E01nmnm17-19 同步發(fā)電機(jī)P2不變時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If的向量圖17-4 無功功率調(diào)節(jié)和V形曲線=90 1、正常勵(lì)磁If1：I1與U同相，即cos=1P20、Q=0 Ia=I1為最小值;只發(fā)出有功率;與電網(wǎng)沒有無功交換.2、過勵(lì)（增加勵(lì)磁電流If2 If1）：E0E02E01;cosI1 向電網(wǎng)發(fā)出有功功率和感性無功功率

13、.*If E0 Q(感) 電機(jī)穩(wěn)定度增加,感性無功的輸出時(shí)受激磁電流和電樞電流的限制.=903、欠勵(lì)(減小勵(lì)磁電流If2 If1)：E0E03 E01, cosI1 向電網(wǎng)發(fā)出有功功率和容性無功功率.* If=90失去穩(wěn)定增加容性無功輸出時(shí)受電樞電流和穩(wěn)定性的限制結(jié)論：發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)If的大小，就可以改變發(fā)電機(jī)輸出無功功率的大小和性質(zhì)。增大勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)處于過勵(lì)時(shí)，向電網(wǎng)輸出感性無功；減少勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)處于欠勵(lì)時(shí)，向電網(wǎng)輸出容性無功。=90 coscos4、同步發(fā)電機(jī)的V型曲線在P2=const時(shí)，Ia=f(If)的關(guān)系曲線曲線最低點(diǎn)：Ia最小，cos=1，正常勵(lì)磁IfIf

14、1，過勵(lì)狀態(tài)IfIf1，欠勵(lì)狀態(tài)。存在穩(wěn)定極限P2曲線上移1)P2Q2)P2不變,If Q; IfPmaxPss5、總結(jié) a)調(diào)節(jié)輸入功率P1 ，可改變輸出有功P2和無功Q 。 b)若只要改變輸出有功P2 ，而無功Q不變，則必須在改變輸入功率P1的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If. c) 改變同步電機(jī)的無功輸出，只要改變勵(lì)磁電流If ，無需改變輸入功率P1 。即：調(diào)節(jié)If，只會(huì)引起Q的改變，而不會(huì)改變有功P2 ，此時(shí)E0和功角都發(fā)生變化。P2PM例17-2：一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行情況下的功率因數(shù)為0.8（滯后）,忽略電樞電阻ra,同步電抗的標(biāo)幺值xs*=1.0,該發(fā)電機(jī)并聯(lián)在無窮大電網(wǎng)上,(1)試

15、求當(dāng)該機(jī)供給90%額定電流且有額定功率因數(shù)時(shí)，輸出的有功功率和無功功率。這時(shí)的空載電勢(shì)E0和功角為多少？ 電流有功分量:電流無功分量:(2)如調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸入功率，使該機(jī)輸出的有功功率達(dá)到額定運(yùn)行時(shí)的110%，勵(lì)磁電流保持不變，這時(shí)的功角角為多少度？該機(jī)輸出的無功功率將如何變化？如欲保持無功功率不變，試求空載電勢(shì)E0和功角的數(shù)值。代入功角特性表達(dá)式:如要保持輸出的無功功率不變，則應(yīng)有:即應(yīng)把空載電勢(shì)增加到1.77，此時(shí)為29.8 發(fā)電機(jī)電流的無功分量由原來的0.54下降到0.454，輸出的感性無功功率也成正比下降，(3)如保持原動(dòng)機(jī)的輸入功率不變，并調(diào)節(jié)勵(lì)磁，使它輸出的感性無功功率為額定時(shí)的1

16、10%，試求此時(shí)空載電勢(shì)E0和功角的數(shù)值。由于原動(dòng)機(jī)的輸入功率不變，所以由于無功功率為額定時(shí)的110% ，所以即電流無功分量:空載電勢(shì)增加到1.81，此時(shí)為23.517-5 同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)一、同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析同步電機(jī)三種運(yùn)行方式同步電動(dòng)機(jī)同步補(bǔ)償機(jī)同步發(fā)電機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)，功率因數(shù)可調(diào)。運(yùn)行狀態(tài)分析：當(dāng)-/2/2時(shí)， Ff1超前Fa時(shí)，為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)/2900即cos0; 電機(jī)從電網(wǎng)吸收有功功率.過勵(lì)時(shí),直軸去磁電樞反應(yīng) 欠勵(lì)時(shí)，直軸助磁電樞反應(yīng) E0滯后U，位移角0， 即：氣隙磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)隱機(jī)同步電動(dòng)機(jī)相量圖欠勵(lì)狀態(tài)b)電動(dòng)機(jī)慣例: 為電網(wǎng)流向電動(dòng)

17、機(jī)的電流 2結(jié)論：a)調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的If ，可以改變輸入電流的功率因數(shù)。b)與異步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別：異步電機(jī)沒有直流勵(lì)磁，它所需的勵(lì)磁均由交流電供給，故異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)總是滯后的。c)同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，把過勵(lì)的同步電動(dòng)機(jī)接在電網(wǎng)上，向電網(wǎng)輸送感性無功，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。3電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩(可能存在的轉(zhuǎn)矩)（不講）異步轉(zhuǎn)矩：當(dāng)空氣隙磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩（只存在于過渡過程;正常運(yùn)行時(shí)，s=0，不產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩）.同步轉(zhuǎn)矩：由直流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩（大小與sin成正比）磁阻轉(zhuǎn)矩（凸極極）：由于xqxd而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩二、同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1

18、.同步電動(dòng)機(jī)無法自行起動(dòng)。同步機(jī)僅在同步運(yùn)行時(shí)才能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子靜止時(shí)受交替變化的轉(zhuǎn)矩，平均轉(zhuǎn)矩為零，同步電動(dòng)機(jī)無法自行起動(dòng)。過半周期1/100sf=50Hzb輔助電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)法c 變頻起動(dòng)法 輔助電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至接近同步速,用自整步法投入電網(wǎng) 極低頻起動(dòng),逐步提高電源頻率，直到額定頻率為止a異步起動(dòng)法 借助磁極表面上裝阻尼繞組(起動(dòng)繞組)2.同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)法: 3異步起動(dòng)法 借助磁極表面上阻尼繞組(起動(dòng)繞組)起動(dòng)步驟：a)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通過電阻R=10Rf閉合短接;b)加三相U1產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Fa阻尼繞組中感應(yīng)電流與Fa相互作用產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩n c)當(dāng) n0.95n1時(shí)，轉(zhuǎn)子加If產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)Ff依靠Fa與Ff間相互吸引力，牽入同步速.4異步起動(dòng)過程注意的問題：1)勵(lì)磁繞組不允許開路，否則會(huì)產(chǎn)生高壓。2)勵(lì)磁繞組不允許直接短路，否則勵(lì)磁繞組（相