《发电机正常运行》PPT课件.ppt

3.1 同步电机的原理,转子绕组通以直流电流形成分布磁场， 匝链定子上的各相绕组。,定子上嵌放有对称三相绕组a-x、b-y、c-z,3.2同步电机对称运行时的特性,1. 空载特性、短路特性、负载特性（曲线） 2. 测定同步电抗、计算短路比、测定漏抗 3. 外特性与调整特性 4. 电压变化率分析,一、同步电机的特性分析基础,对称运行：指电机转速为额定值且保持恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式 主要变量：电压U、电枢电流I、激磁电流If和功率因数cos 特性： (1)空载特性： I=0 (2)短路特性： U0 (3)负载特性： Iconst、cos=const (4)外特性： Ifconst、cosconst (5)调整特性： Uconst、cos=const 主要参数：同步电抗xs、xd、xq及漏抗x,区别不同的条件、 参数间关系,1. 同步发电机的空载特性,当空载运行时（电枢绕组开路，I=0）,空载电动势E0随转子励磁电流If变化的关系 。 空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 E00 If Ff,饱和系数： E0*=1时的总磁势与气隙磁势之比， 一般在1.1-1.25间 意义：空载磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电势都降低到未饱和时的1/k。,空载特性的实验测定,调节可变电阻，使激磁电流逐步上升，每次记下If和E0的读数。 作同步电机的空载特性 由于存在剩磁，规定用下降曲线来表示空载特性。 从1.3UN对应的激磁逐步减小,空载特性的工程应用, 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。 如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难 如饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率较低，铁心耗材较多 结合短路特性可以求取同步电机的参数。 发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。,必须掌握（*）,2. 同步发电机的短路特性,发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流Ik与激磁电流If间的关系曲线。,忽略绕组电阻ra,影响： 电机磁路处于不饱和状态。,短路特性曲线,去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态 电枢磁势Fa正比于电枢电流I=Ik 短路特性是一直线,稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流不大，三相稳态短路运行没有危险,短路特性的测定短路试验,先将三相电枢绕组在出线端处短接，再起动原动机将发电机带到同步转速，通入不同数值的激磁电流If，读取每次相应的短路电流Ik，即得同步发电机的短路特性。,零功率因数特性（2） ：cos =0的负载特性 纯感性负载，纯去磁作用的电枢反应 Faq=0,Fad=Fa 合成磁势 端电压,3. 负载特性曲线,端电压与激磁电流间的曲线Uf(If) I=const，cos=const,矢量（相量）关系变成了代数关系,重点：空载特性与零功率因数曲线,mn对应于去磁磁势kadFad的激磁电流 on：合成磁势 om=mn+om：激磁磁势Ff an：E合成电势 ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c点：对应(U,If)为零功率因数特性曲线上一点,电抗三角形abc 如电枢电流保持不变，三角形大小不变 高ab= Ix，底边bc=mn均正比于电枢电流 c点轨迹即为零功率因数曲线,负载时实际激磁,零功率因数曲线求取,两点试验实验法,当电机较大时，将电机并联于电网，有功调节为零，调节励磁使发出无功电流达到IN，即为e点.,短路点e点（I=IN,U=0） 调节发电机励磁电流，使三相稳定短路电流为额定值,额定电压点c点（ I=IN,U=UN ）调节发电机处于过激，电枢电流为额定值，输出有功功率为0（零功率因数），激磁电流和额定电压决定c点,二、同步发电机的稳态运行特性,外特性 电压变化率 调整特性 效率特性 磁势法求电压变化率和额定励磁电流,1. 发电机的外特性,n=n1, I f =const，cos=const，单机运行，发电机端电压U随负载电流 I的变化关系与负载的性质有关,影响因数： 1. 电枢反应 2. 漏抗压降,当容性负载且内功率因数超前时，电枢反映是助磁作用，特性可以呈上升形状。,在容性负载时，需适当降低励磁，呈欠激运行,在感性负载下需供给较大励磁，称为过激运行,不同功率因数下，I=IN时均有U=UN,2. 发电机的调整特性,n=n1, U =const，cos=const，作单机运行，负载电流 I与励磁电流If的关系 物理意义：维持端电压不变，励磁电流需随负载电流的大小变化进行调节。,在感性负载时，随负载增大，需增加励磁以抵消电枢反应的去磁作用,在容性负载时，随负载增大，需减小励磁以平衡电枢反应的助磁影响,3. 效率特性,n=nN，U=UN，cos= cosN，效率与输出功率P2的关系 测量方法：直接负载法，损耗分析法,损耗分析： 基本损耗：电枢铁耗，电枢铜耗，励磁损耗，机械损耗 杂散损耗：漏磁引起的涡流损耗，谐波引起的转子表面损耗等,额定效率范围： 1 水轮发电机（空气冷却）：96%-98.5% 2 汽轮发电机（空气冷却）：94%-97.8%,四、电压变化率,保持转速与励磁不变，如负载减小，则电枢反应的去磁作用也减小，端电压将升高电压变化,1. 电压调整率,保持额定运行时的励磁电流和转速不变，发电机的额定运行时的端电压为UN，空载时端电压为空载电势 E0 ，电压调整率表示,U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应不大于50% 通过采用快速励磁调节器，可以自动改变激磁电流使发电机端电压保持不变,2. 电势法求U%,从等效电路根据相量图分析,应用同步电抗的饱和值,3. 磁势法求U%,考虑了磁路的饱和情况，直接反应电枢磁势Fa的作用 用保梯电抗xp代替漏抗，反映负载时转子漏磁的变化,已知额定负载时U=UN，I=IN，cos=conN 已知电机参数ra，xp，Kad，Kaq,3.3同步发电机在大容量电网上运行,并联运行 功角特性 有功功率调节 无功功率调节 同步电机的其他运行方式,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）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。,（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。,条件不满足时对电机的影响,1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。 3、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。 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流，危害电机安全运行。,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： 通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等 ； 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； 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： 通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等 ； 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； 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25)，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,3.1 功率关系式,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，d固定。 功角d为正值时，为发电机运行。,3.3 隐极机的功角特性,发电机运行,过载能力kM,最大功率与额定功率之比,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,3.4 隐极机的转矩特性,转矩特性与功角特性形状相同,电角速度,四、凸极机的功角特性,1. 作出相量图,2. 推导,关键： 先作出E0的方向,发电机,电动机,五、有功功率的调节,5.1 有功功率的调节,电机的极限功率,1空载时：P=PM=0 P1=P0，处于平衡状态 =0,2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， 0 随着 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）,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,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,概念：比整步功率,空载时， =0，Pss最大，最稳定 =/2，Pss=0，将进入不稳定状态 /2，Pss0，失去稳定,s,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，角 较小，稳定性好。 过激与欠激：有功一定时，过激时E0大，角 小，稳定性好。 轻载与满载：激磁相同时，Pmax相同，轻载时角小，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，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,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a,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b，相应无功变为Qb，即减小了无功输出。 （静态稳定度降低）,6.2 有功不变时的无功调节,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,励磁电流改变时的有功功率和无功功率功角特性,增大励磁电流,6.3V形曲线: 并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流 I 和励磁电流 If 的关系曲线 I = f（If）,V形曲线的几个特点,1、每条曲线的最低点：cos=1，连线向右倾斜 2、不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜 3、每条曲线上的电流变化量 I 为无功分量 4、励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先增大后减小,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。,cos =0.8超前,cos =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。,例题分析,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； （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。,例题分析,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；,2. 计算空载电动势 需先知道输出电流的相量,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,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；,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,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，则角和无功如何变化；,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,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。,七、同步补偿机供给无功功率,空载运行的电动机：不吸收有功功率，过激时，对电网供给感性无功功率。 运行状况：电磁功率接近零，且在零功率因数 特殊应用：在电网基本空载，由于长输电线电容影响，使受电端电压偏高时，可将同步补偿机在欠激下运行，以保持电网电压的稳定。,同步电机不同运行状态,3.4 发电机的进相运行,一、进相运行的含义： 指发电机发出有功而吸收无功的稳定运行状态。,二、进相运行的必要性 超高压远距离输电网络不断扩大，导致系统无功增多，如220 kV、330 kV和500 kV级的架空线路，每公里对地的容性无功分别为130kvar、400 kvar和1 0001 300 kvar。加之，为弥补系统高峰负荷时的无功不足，在电网中还装设了一定数量的电容器，这些电容器有时难以适应系统调节电压的需要而及时投切。因此，在节假日或午夜等系统负荷处于低谷时，其过剩无功必导致电网电压升高，甚至超过运行电压容许的规定值，不仅影响供电的电压质量，还会使电网损耗增加，经济效益下降。,发电机进相运行能吸收网络过剩的无功功率，降低系统电压。发电机进相运行是结合电力生产需要而采用的切实可行的运行技术，它可使发电机由改变运行工况而达到降压的目的。仅是利用系统现有设备增加的一种调压手段，便可扩大系统电压的调节范围，改善电网电压的运行状况。该方法操作简便，在发电机进相运行限额范围内运行可靠，其平滑无级调节电压的特点，更显示了它调节电压的灵活性，发电机进相运行是改善电网电压质量最有效而又经济的必要措施之一。,三、发电机进相运行的基本原理: 发电机正常运行时,向系统提供有功的同时还提供无功,定子电流滞后于端电压一个角度,此种状态即迟相运行.当逐渐减少励磁电流使发电机从向系统提供无功而变为从系统吸收无功,定子电流从滞后而变为超前发电机端电压一个角度,此种状态即进相运行.发电机进相运行时各电气参数是对称的，并且发电机仍保持同步转速，因而是属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况，只是拓宽了发电机通常的运行范围。同样，在允许的进相运行限额范围内，只要电网需