同步电机稳态分析6-8-6-9

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）供给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；
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


E 0

c

U

E02

jI2 xt

I
φ2

I1
I3

I2
E 03 j I3xc
φ3
φ
1
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。
6.3 无功功率的V形曲线
cosθ =0.8 超前 cosθ =0.8 滞后
1
E0U U2 P sin sin zs zs
2 0
如忽略ra，则 0 P PM E0U sin Pmax sin xs
E0U E PM sin sin zs zs 取实部，有功
3.2 功角的时空概念


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。
欠激
过激
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。(不能改变有功功率大小) 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。
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 Q UI sin E0 cos U I sin
xs E0U U2 Q cos xs xs

6.1 隐极机的无功功率功角特性
Qa

设功率为PT，运行于a点，功 角δa
PT
δa
δb
假设原动机有功功率不变， 减小励磁电流，则E0减小
功率平衡P=PM P P 1 0
5.1 有功功率的调节
电机的极限功率
1．空载时：P=PM=0 2．增加机械功率输入： P11>P0， P1-P0>0 P =P0，处于平衡状态 δ=0 过渡过程：电机加速，转 子磁场位置将超前合成磁 场， δ＞0
P1-P0
PM
随着δ 增加，P=PM>0增加， 当达到P1-P0=PM时，电机加 速过程结束 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， 稳定 不稳定 稳定运行：转化来的电磁 功率，使输出有功功率P 达到新的功率平衡（如保持励磁电流不变）
I q xq U sin I d xd E0 U cos
•磁阻功率 P PM 关键： 原因：凸机极电机 UI q cos UI d sin 直轴和交轴位置的 先作出E0的方向 U 2 xd xq E0U 磁阻不一样，电枢 sin sin 2 磁密矢量Ba与磁势 xd 2 xd x q 磁势Fa不重合

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
E0U 1 2 1 凸极机：Pss cos U cos 2 x xd xd q
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
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。


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）。 电压幅值相同 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。 电压相序一致
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。源自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。
过载能力kM

最大功率与额定功率之比
E0U 设额定功率时功角 N，则 PN sin N xs 1 kM sin N N 越小，则k M 越大
•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
2

电枢电阻的存在，使最大功率减小
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
E0U P PM sin Pmax sin xs
发电机运行
电动机运行
b a，达到原有的功率平衡
a点正常工作点
d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 dPM 0 d
概念：比整步功率
s
dP Pss M d


隐极机：Pss E0U cos xs
空载时，δ =0，Pss 最大，最稳定 δ =π/2，Pss=0，将 进入不稳定状态 δ >π/2，Pss<0，失 去稳定
（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
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；
U* 10 1 j0
UI cos UI cos
E0U P sin xd
U 2 xd xq 2 xd xq
sin 2
发电机
电动机
例13-2

注意：对应最大功率的功角
dP M 根据极值条件： 0 d 计算出： 70 90 与隐极电机进行比较
五、有功功率的调节
适用于事故状态下的并车
三、隐极同步发电机的功角特性 • 相量图 等效电路 功率流程图
内功率因数角
等效电路 功角 相量图
功率因数角
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 0 a s 机-励磁机组，则励磁损耗pcu2与P1无关，由励磁机组供给。
3.4 隐极机的转矩特性
PM p p E0U T PM sin zs 2n1 2n1 p 1 60 60 p p
电角速度

转矩特性与功角特性形状相同
例题13-1
思考题13-1，2
作业 13-1
四、凸极机的功角特性
1. 作出相量图 2. 推导
2. 计算空载电动势
E0* U* jI* xs*
需先知道输出电流的相量 I I I jI * a* r*
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；
E U Ir jIx
3.1 功率关系式
P UI cos UI PM UI cos I 2 ra E0 I cos E0 I 设U U0，则E E
0 0
ra tg ，则 Z s z s 2 xs E0 U E0 U I 2 2 Zs zs zs
2.3 自整步法

前提：相序一致 约为励磁电阻的10倍 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。