第十三章+同步发电机在大电网上运行

1、第四篇 同 步 电 机福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组 黄灿水电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列2006.8目目 录录第十三章第十三章 同步发电机在大电网上运行同步发电机在大电网上运行13.1 13.1 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行13.2 13.2 隐极同步发电机的功角特性隐极同步发电机的功角特性13.3 13.3 凸极同步发电机的功角特性凸极同步发电机的功角特性13.4 13.4 同步发电机的有功功率调节同步发电机的有功功率调节13.5 13.5 无功功率的调节和无功功率的调节和V V形曲线形曲线13.6 13.6 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机13

2、.1 13.1 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行v并联运行的优点：并联运行的优点：提高提高电网质量电网质量：U=constU=const、f=constf=const，无穷大电网无穷大电网或或无穷大汇流排无穷大汇流排减少电网减少电网储备容量储备容量，在电网内统一调度发电容量，在电网内统一调度发电容量可根据负荷变化改变并网发电机台数，提高发电厂可根据负荷变化改变并网发电机台数，提高发电厂运行经济性运行经济性可以提高电厂建设的效益，根据工农业的发展增加可以提高电厂建设的效益，根据工农业的发展增加发电机台数发电机台数提高提高用电可靠性用电可靠性：单机运行方式、大容量负载、故：单机运行方式、大

3、容量负载、故障检修等情况对电网影响小障检修等情况对电网影响小相同的相序相同的相序相等的电压相等的电压 相等（或相近）的频率相等（或相近）的频率相位相同相位相同一、并联运行的条件一、并联运行的条件条件不满足时产生的后果：条件不满足时产生的后果： 电机和电网之间有环流，危害电机安全运行电机和电网之间有环流，危害电机安全运行 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 电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低高，效率降低二、并联运行的方法二、并联运行的方法为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为为了投入

4、并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程整步过程整步方法：整步方法：准确整步法准确整步法和和自整步法自整步法v准确整步法：准确整步法：直接接法直接接法(灯光暗黑法灯光暗黑法)KA1B1C1A2B2C2123电 网 ,f1发 电 机 ,f2231A1A2B1B2C1C2直接接法步骤：直接接法步骤：1、接线：接线：双方对应相通过指示灯相接双方对应相通过指示灯相接2、当三组灯同时明暗时，说明双方、当三组灯同时明暗时，说明双方相序相序相同相同 若相序不同，现象为灯光旋转法，任意对调两相若相序不同，现象为灯光旋转法，任意对调两相3、调节、调节If，使双方，使双方电压电压相等相等4、灯光闪烁频率越慢，双方

5、、灯光闪烁频率越慢，双方频率频率越接近越接近 若闪烁较快，可调节原动机的转速使双方频率相近若闪烁较快，可调节原动机的转速使双方频率相近5、当闪烁极其缓慢，在灯光变暗时、当闪烁极其缓慢，在灯光变暗时(同同相位相位)合闸，合闸， 并车完成并车完成直接接法实验现象直接接法实验现象交叉接法交叉接法(灯光旋转法灯光旋转法)KA1B1C1A2B2C2123电 网 ,f1发 电 机 ,f2231A1A2B1B2C1C2A1B1C1A2B2C2最 佳 合 闸 时 刻A2A2A2A2A2A1B1C1A1B1C1A1B1C1A1B1C1A1B1C1B2B2B2B2B2C2C2C2C2C21111112222223

6、333331组 灯 灭2组 灯 灭3组 灯 灭3组 灯 最 亮1组 灯 最 亮2组 灯 最 亮设 f2f1,按 相 对 运 动令电 网发 电 机 =交叉接法步骤：交叉接法步骤：1、接线接线：任意对调其中两相后通过指示灯相接：任意对调其中两相后通过指示灯相接2、当三组灯明亮发生旋转时，说明双方、当三组灯明亮发生旋转时，说明双方相序相序相同相同 若相序不同，现象为灯光熄灭法，任意对调两相若相序不同，现象为灯光熄灭法，任意对调两相3、调节、调节If，使双方，使双方电压电压相等相等4、灯光旋转速度越慢，双方、灯光旋转速度越慢，双方频率频率越接近越接近 若旋转较快，可调节原动机的转速使双方频率相近若旋转

7、较快，可调节原动机的转速使双方频率相近5、当旋转极其缓慢，在直接相灯光变暗时、当旋转极其缓慢，在直接相灯光变暗时(同同相位相位)合闸合闸 并车完成并车完成优点：此法可看出电机频率比电网高还是低优点：此法可看出电机频率比电网高还是低交叉接法实验现象交叉接法实验现象准确整步法的准确整步法的优点优点：投入瞬间电网和电机没有冲击：投入瞬间电网和电机没有冲击缺点缺点：整步过程比较复杂费时：整步过程比较复杂费时v自整步法：自整步法：原动机带至原动机带至nn1不加不加If下电枢接入电网（此时励磁绕组通过下电枢接入电网（此时励磁绕组通过电阻短接）电阻短接）加加If，使发电机的转子牵入同步，使发电机的转子牵入同

8、步步骤：步骤：优点：优点：简单、迅速简单、迅速缺点：缺点：合闸时冲击电流大合闸时冲击电流大空载运行、功率调节课时小结课时小结1、同步发电机并联运行的优点和、同步发电机并联运行的优点和条件条件？(重点重点)2、同步发电机准确整步的直接接法和交叉接法的、同步发电机准确整步的直接接法和交叉接法的接线图、并联步骤、合闸时刻接线图、并联步骤、合闸时刻？(重点重点)3、准确整步法和自整步法的优缺点分别是什么？、准确整步法和自整步法的优缺点分别是什么？4、注意：同步发电机刚并网时刻处于空载运行情、注意：同步发电机刚并网时刻处于空载运行情况，需进行功率调节！况，需进行功率调节！13.2 13.2 隐极同步发电

9、机的功角特性隐极同步发电机的功角特性同步同步 发电机功率流程如下图：发电机功率流程如下图：acuaMadFemecMrmIPPPpPPPPPP22011)(P1n1PMpm+pFe+pP2pCuaP1PMP2pmpFe+ppCua同步发电机同步发电机一、功率表达式一、功率表达式由相量图可知（以下为每相值）：由相量图可知（以下为每相值）：IEIErIUIPIUUIPaM 0022coscoscos由等效电路可知：由等效电路可知：sZUEI0以以 为参考轴，则有：为参考轴，则有：U)(2(0100sassxrtgzZEEuUsin)sin(ZUEsin)sin(ZUEP PPI)2()2(2002

10、02M20ssMssssZEPZUZUZEI得：、代入将则有：三相总功率）每相值，的影响，则：若忽略(sin)(sinsinZ 0sin0 02max02sMsMssaxUEmPPPxUEPPjxr二、功角特性：二、功角特性：PM=f()，P2=f()电动机电动机P0、0 、0正弦函数正弦函数幅值：幅值：sxUEP0max三、转矩特性三、转矩特性sin011sMxUEpPT过载能力：过载能力：最大输出功率最大输出功率 Pmax 与额定功率与额定功率 PN 之比之比NNssNMxUExUEPPksin1sin00max由相量图可见：由相量图可见：X Xs s功角功角 k kM M、k kk k=

11、C=Co o/X/Xs s-电磁转矩特性电磁转矩特性四、考虑四、考虑ra后的功角特性后的功角特性发电机情况发电机情况下的原点下的原点电动机情况电动机情况下的原点下的原点结论：结论：存在存在ra Pmax|pmax0 发电机；发电机； p0)后后，产生电磁功率，产生电磁功率: P1-p0=PM空载时：空载时：PM=0=0，即，即F与与Ff重合重合负载时：负载时：调节原动机调节原动机P1T1T0转子加速转子加速nFf超前超前F PM 输出有功输出有功P2增加增加 当当到到PM=P1-p0时，时，T1=TM+T0则不再加速则不再加速v物理现象：物理现象：利用功角利用功角解释解释空间：空间：F与与Ff

12、夹角夹角时间：时间：U与与E0相位角相位角P1n1PMpm+pFe+pP2pCuaP1PMP2pmpFe+ppCua同步发电机功率流程图同步发电机功率流程图P0=注：经过几次振荡后，电机处于新的平衡状态注：经过几次振荡后，电机处于新的平衡状态二、静态稳定的概念二、静态稳定的概念v定义：定义：电机在运行时，受到外界的电机在运行时，受到外界的干扰干扰，从而导致运行，从而导致运行偏离偏离原先的运行点，而当原先的运行点，而当干扰撤去干扰撤去后后,电机又能电机又能自行自行回到原先的点回到原先的点继续工作，就叫做电机的静态稳定。继续工作，就叫做电机的静态稳定。v分析：分析：如图如图a点为稳定点，点为稳定点

13、，d点为不稳定点点为不稳定点PM制 动P1 驱 动abcdPssPMv静态稳定条件静态稳定条件稳定度。表示发电机运行的稳定比整功率：（曲线上升部分）条件：ssxUEddPddPsMssMP cosP 0 0结论：结论：当当=0Pss最大最大空载最稳定空载最稳定当当=/2Pss=0稳定能力不存在稳定能力不存在当当 /2 Pss0失去稳定失去稳定v稳定区与不稳定区稳定区与不稳定区发电机：发电机：（隐极机）（隐极机）0/2 为稳定区，为稳定区，/2 为不稳定区为不稳定区电动机：电动机：（隐极机）（隐极机） -/2 0为稳定区，为稳定区，- -/2为不稳定区为不稳定区v不稳定产生的后果不稳定产生的后果

14、1、产生很大的冲击电流、产生很大的冲击电流2、转子超速、转子超速解决措施：快速励磁装置解决措施：快速励磁装置二、动态稳定的概念二、动态稳定的概念v定义：定义：当并网的发电机发生负载突变、突然短路、当并网的发电机发生负载突变、突然短路、电压突变或发电机失磁等电压突变或发电机失磁等非常运行非常运行时，发电机能时，发电机能继续继续保持同步运行保持同步运行，则称之为动态稳定。，则称之为动态稳定。v分析分析:右图为电网电压下降情况右图为电网电压下降情况U1U2U30、Q=0 Ia为最小值为最小值 2）过励（增加励磁电流）：）过励（增加励磁电流）：E0 cos0、Q0 If稳定稳定受受Ia和和If的限制的

15、限制3）欠励）欠励(减小励磁电流减小励磁电流)：E0 (相对正常励磁相对正常励磁) cos0、QIf1，过励状态，过励状态If0空载空载p1=0电动机电动机p10减少减少P1转轴上带负载转轴上带负载过励状态过励状态欠励状态欠励状态I为电机流向电网的电流，为电机流向电网的电流，ID为电网流向电机的电流为电网流向电机的电流I的有功分量与的有功分量与U反相，电机从电网吸收有功功率（电动机）反相，电机从电网吸收有功功率（电动机）E0滞后滞后U，位移角，位移角0，即：，即：气隙磁场超前转子磁场气隙磁场超前转子磁场共同点：共同点：Id直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应 过励过励Id直轴助磁电枢反应直轴助磁电

16、枢反应 欠励欠励电动机有超前的功率因数电动机有超前的功率因数电动机有滞后的功率因数电动机有滞后的功率因数过励状态过励状态欠励状态欠励状态区别：区别：几点讨论：几点讨论：调节同步电动机的调节同步电动机的If ，可以，可以改变输入电流的功率因改变输入电流的功率因数数，从滞后，从滞后等于等于1超前超前与异步电动机的区别：异步电机没有直流励磁，它与异步电动机的区别：异步电机没有直流励磁，它所需的励磁均由交流电供给，故所需的励磁均由交流电供给，故异步电动机的功率因异步电动机的功率因数总是滞后数总是滞后的。的。同步电动机的优点：功率因数可以调节，把过励的同步电动机的优点：功率因数可以调节，把过励的同步电动

17、机接在电网上，可以改善电网的功率因数。同步电动机接在电网上，可以改善电网的功率因数。二、同步电动机的起动二、同步电动机的起动结论：同步机仅在同步运行时才能产生恒定的电磁转矩。结论：同步机仅在同步运行时才能产生恒定的电磁转矩。若同步电动机直接起动，则产生如下现象：若同步电动机直接起动，则产生如下现象：同步电动机的转矩：同步电动机的转矩：异步转矩：异步转矩：当空气隙磁场与转子间存在相对运动时当空气隙磁场与转子间存在相对运动时产生的电磁转矩（只存在于过渡过程，正常运行时，产生的电磁转矩（只存在于过渡过程，正常运行时，s=0，不产生异步转矩），不产生异步转矩）同步转矩：同步转矩：由直流励磁的转子磁场与

18、定子磁场相互由直流励磁的转子磁场与定子磁场相互作用产生的电磁转矩（大小与作用产生的电磁转矩（大小与sin成正比）成正比）磁阻转矩磁阻转矩（凸极极）：由于（凸极极）：由于xqxd而产生的转矩而产生的转矩vmaxvv2TT 450T 9002sin2)(时，当时，、当qdqdvxxxxUpT异步启动法异步启动法在磁极表面上装阻尼绕组在磁极表面上装阻尼绕组(起动绕组起动绕组)步骤：步骤：转子励磁绕组通过电阻闭合转子励磁绕组通过电阻闭合加加U1产生旋转磁场产生旋转磁场Fa阻尼绕组中感阻尼绕组中感应电流应电流与与Fa相互作用产生转矩相互作用产生转矩n nn1，加，加If产生转子磁场产生转子磁场Ff依靠依

19、靠Fa与与Ff间相互吸间相互吸引力，牵入同步速引力，牵入同步速调节调节If得到合适的得到合适的Ia和和cos阻尼绕组阻尼绕组异异 步步起起 动动牵牵 入入同同 步步调节励磁调节励磁完成起动完成起动注意事项：注意事项：起动绕组电阻越大，起动转矩起动绕组电阻越大，起动转矩Tst越大，但是牵入越大，但是牵入转矩转矩Tpi却越小，不利于牵入同步。却越小，不利于牵入同步。异步起动阶段，励磁绕组不允许开路，否则会感异步起动阶段，励磁绕组不允许开路，否则会感应高压；也不允许直流短路，否则会产生应高压；也不允许直流短路，否则会产生“单轴转单轴转矩矩Tc，半同步胶住。，半同步胶住。其他起动方法：其他起动方法： 1、辅助电动机起动法、辅助电动机起动法2