电机学-同步发电机的并联运行课件

1、第十一章 同步发电机的并联运行11-1 概述一、并联运行的必要性(1)电能的供应可以相互调剂，合理使用，从而更合理地利用动力资源和发电设备。 增加供电的可靠性。一台发电机的故障，不致于造成停电事故，同时，也减少了备用容量。 供电的质量增加了。由于系统容量很大，一台电动机的起动、加载、停机，对系统来说，几乎就没有影响，因此，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。 第十一章 同步发电机的并联运行11-1 概述一、并联运11-1 概述一、并联运行的必要性(2)系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，相互起补偿作用。就以地区来说，地区大，时差也大，使用照明的时间也就错开了，负载均匀，发电机就能经

2、常满载运行，提高了设备的利用率，若电力系统处在尖峰负荷(短时用电量较大)，可以用增开担负尖峰负载的发电机来解决，不使电网中发电机的负载均衡性遭到破坏。联成大电力系统后，有可能使发电厂的布局更加合理。在产煤区，多布置一些火力发电厂，在水力资源丰富的地方，多布置一些水力发电厂，然后，利用高压输电线对工业中心区域供电。 11-1 概述一、并联运行的必要性(2)系统愈大，负载就11-1 概述二、无限大电网无限大电网：现代的电力系统容量很大，系统的电压和频率可以看作是不变的，即U=常数，f常数， 这样的电网称为无限大电网，所以无限大电网实际上是相当于一个内阻抗等于零的恒频、恒压电源。由于并网后的发电机运

3、行情况要受到电力系统的制约，也就是它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。因此，对发电机的运行分析将与单机运行有所不同。实际上，系统的容量是有限的无限大电网只是一个相对的概念负载增加时，就必须增加发电量，否则，电压和频率就会下降，只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。11-1 概述二、无限大电网无限大电网：现代的电力系统容三、研究并联运行时所用的规定正方向三、研究并联运行时所用的规定正方向11-2 同步发电机并联投入的条件和方法一、并联投入条件 为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机内部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件： 1. 发电机的电压幅值等于电网

4、电压幅值，而且波形一致。2.投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致，即3.发电机的频率等于电网的频率，即4.发电机的相序必须与电网相序一致。 11-2 同步发电机并联投入的条件和方法一、并联投入条件11-2 同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投入条件的后果(1)、频率相等，相序一致，但发电机电压和电网电压不相等。11-2 同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投11-2 同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投入条件的后果(2)、电压相等，相序一致，但发电机频率和电网频率不相等。11-2 同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投11-2 同步发电机并联投入的条件

5、和方法二、不满足并联投入条件的后果(3)、电压相等，频率相等，但发电机相位和电网相位不相等。相序不同是绝对不允许投入的。因为即使某相满足了前面三个条件，但其它两相由于相序不同而使电压相位相差120度 ，它将引起很大的冲击环流，危害电机的安全运行。由于汽轮机和水轮机有一定的转向，而且发电机出线都用颜色黄、绿、红标明，在装置开关时，首先就要布置好相序，所以在发电厂一般不会出现相序错误。 11-2 同步发电机并联投入的条件和方法二、不满足并联投11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(1)整步过程：把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程（或称并车)，整步方法：准整步和自整步。

6、 准整步：把发电机调整到完全合乎并联投入，然后投入电网，这种方法叫准整步。自整步；首先校验发电机的相序，并按照规定的转向(和定子旋转磁场的转向一致)把发电机拖动到接近同步速旋转，把励磁绕组通过一限流电阻短路(不加励磁)，然后把发电机投入电网，并立即加上励磁，依靠定、转子间形成的电磁力矩，把转子自动地拉入同步。 11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(2)讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，励磁绕 组不 应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励磁绕组也不直接 短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。通常的做法

7、是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。 2）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。 11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(3)准整步法并车方法： 为判断发电机是否满足并联投入条件，常常采用同步指示器，最简单的同步指示器由三组同步指示灯组成。同步指示器有两种接法，一种是暗灯法，另一种叫旋转灯光法。11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法(4)采用准整步法并车的判断方法： 1. 暗灯法 在并联刀闸的对应端接上三组灯泡，如图114所示，每一组灯泡称

8、为相灯，由于相灯两端电压最大可达两倍相电压，因此，对于相电压为220伏的发电机，应用两个220伏的灯泡串联作为一组相灯，如果发电机和电网电压较高，必须用电压互感器降压后再接相灯，而且发电机和电网的电压互感器必须有相同的联结组别。 11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法11-2 同步发电机并联投入的条件和方法并联投入方法(5)1. 暗灯法 11-2 同步发电机并联投入的条件和方法并联投入方法(5三、并联投入方法(6)1. 暗灯法 发电机的相序和电网的相同，电压也相同，但 ，则发电机和电网这两组电压相量之间就有相对运动。故三组相灯上的电压同时发生变化，于是三组灯将同时亮，同时灭，

9、亮灭的快慢决定于 ，调节发电机的转速，直到三组灯亮、灭变化很慢时，就表示 ，当三组灯同时熄灭， AS、 AG间电压表读数为零时，就表示发电机巳经满足了并联投入条件，此时就可合闸。 三、并联投入方法(6)1. 暗灯法 发电机的相序和电网的相同2. 灯光旋转法 在暗灯法中，如果相序接错，相灯的灯光就会旋转起来。如果把两组相灯接在不同的相之间，使它们在正确的相序下。出现旋转的灯光，这种并联合闸的方法，叫做灯光旋转法。 2. 灯光旋转法 在暗灯法中，如果相序接错，相灯的灯光就会旋电机学-同步发电机的并联运行11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式一、功率平衡方程式(1)发电机对称稳态运行时，原动机投

10、入到发电机的机械功率为P1 ，扣除发电机的机械损耗pm，铁耗pfe 和附加损耗pad后，通过电磁感应和定、转子磁场的相互作用，机械能就转换为电能，这部分转换的功率称为电磁功率PM，用方程式表示为 11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式一、功率平衡方11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式一、功率平衡方程式(2)说明：转子(励磁)铜耗没有列入上列功率方程式11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式一、功率平衡方11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式二、转矩方程式(1)T1为原动机驱动转矩T0为发电机空载转矩TM为发电机的电磁转矩11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式二、转矩方程式1

11、1-4 同步电机的功角特性功率角：指励磁电动势 和电网电压 这两个向量之间的夹角 功角特性：指同步电机接在电网上对称稳态运行时，电机的电磁功率与功率角之间的关系。功角特性是同步电机并网运行的基本特性之一。通过功角特性，就可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率，还可以用它来分析静态稳定等问题。 11-4 同步电机的功角特性功率角：指励磁电动势 一、隐极式同步发电机的功角特性(1)推导：一、隐极式同步发电机的功角特性(1)推导：功角特性证明()功角特性证明()11-4 同步电机的功角特性一、隐极式同步发电机的功角特性(2)（1）保持励磁电流不变时，电磁功率与功角按正弦曲线变化，正半波代表发

12、电机工况。（2）电磁功率一定时，改变励磁电流 ，若 ，则1211-4 同步电机的功角特性一、隐极式同步发电机的功角特11-4 同步电机的功角特性一、隐极式同步发电机的功角特性(3)讨论：1）若功角特性两边同除以同步机械角速度2）不同的励磁电流产生不同的励磁电动势E0，因 此可以得到不同的功角特性3）若用标么值表示11-4 同步电机的功角特性一、隐极式同步发电机的功角特二、凸极式同步发电机的功角特性(1)二、凸极式同步发电机的功角特性(1)11-4 同步电机的功角特性二、凸极式同步发电机的功角特性(2)基本电磁功率附加电磁功率E01，为保持电枢绕组的总磁通 不变，除有功电流外，电枢电流还将出 现

13、超前的去磁无功电流分量（从发电机 惯例来看，它仍为滞后的去磁无功电 流）。因此电枢电流将较正常励磁时大， 电动机的功率因数为超前的；欠励磁：当励磁电流小于正常励磁电流（欠励） 时，E02E01 ，电枢电流将出现一个滞 后的无功电流分量，此时电枢电流也应 比正常励磁时大，功率因数则为滞后的。同步电动机和同步调相机12-2 同步电动机的V形曲线同步 ，隐板电动机达到稳定运行极限。图129中虚线表示出电动机不稳定区的界限 。同步电动机和同步调相机12-2 同步电动机的V形曲线同步电动机的V形曲线 图129表示三个不同的电磁功率值时的V形曲线，由于同步电动机最大电磁功率PM与E0成正比，当减小励磁电流

14、时，它的过载能力也要降低，而对应的功率角则增大，这样一来，当励磁电流减到一定的数值时，将增为 ，隐板电动机达到稳定运行极限。图129中虚线表示出电动机同步电动机和同步调相机12-2 同步电动机的V形曲线同步电动机的V形曲线讨论：改变励磁可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最可贵的特性。因为在电网上主要的负载是异步电动机和变压器，它们都要从电网中吸收电感性无功功率，如果将运行在电网上的同步电动机工作在过励状态，使它们从电网中吸收电容性无功功率（即向电网发出感性无功功率），从而提高了电网的功率因数。因此，为了改善电网的功率因数和提高电机的过载能力，现代同步电动机的额定功率因数一般均设计为 10

15、.8（超前）。同步电动机和同步调相机12-2 同步电动机的V形曲线同步12-3 同步电动机的起动方法同步电动机不具有自起动能力 同步电动机的电磁转矩是由定子电流建立的旋转磁场与转子磁场的相互作用而产生的，仅仅在两者相对静止时，才能得到平均电磁转矩。如将同步电动机转子通入直流励磁，并将定子绕组直接投入电网，这时定子旋转磁场与转子磁场间有相对运动，所以不能产生恒定方向的电磁转矩，电机不能起动12-3 同步电动机的起动方法同步电动机不具有自起动能力同步电动机不具有自起动能力在图(a)所示瞬间，电磁转矩方向倾向于拖动转子逆时针方向旋转，由于机械惯性，当转子还未转起来时，定子磁场已转了180度，达到图(

16、b)位置，这时转子又倾向予顺时针转动，结果转子承受了一个交变的脉振转矩，其平均值为零，故电动机不能自起动，为此必须借助其它方法。 同步电动机不具有自起动能力在图(a)所示瞬间，电磁转矩方向倾12-3 同步电动机的起动方法1 辅助电动机起动 选用和同步电机有相同极数的异步电动机（容量为主机的5%15%）作为辅助电机，用辅助电机带动同步电动机接近同步速，然后合主闸，并立即给同步电动机励磁，利用自整步拉入同步。 也有用比同步电机极数少两极的异步电动机作为辅助电机，将主机拖到高于同步速后拉断电源，当转速降到同步速时，再将同步电动机投入电网，这样可获得更大的整步转矩。 此法的缺点是不能在负载下起动，否则

17、要求辅助电机的容量大，增加整个机组设备投资，所以此方法现在一般不用。 12-3 同步电动机的起动方法1 辅助电动机起动 12-3 同步电动机的起动方法2 调频起动 调频起动的实质是设法改变定子旋转磁场的转速，使定、转子之间产生的电磁转矩能带动转子同步旋转，为此，起动时需要把调频电源的频率调得很低，然后逐步增加电源频率直至额定频率为止。 此方法的缺点是需要有一套变频电源，而且励磁机还要由其它电机拖动，因为并激直流发电机低速时不能产生所需的励磁电压，这种方法设备昂贵复杂，一般少用。 12-3 同步电动机的起动方法2 调频起动 调频起动3 异步起动 现代的同步电动机多数在转子上装有类似于异步电动机笼

18、式绕组的起动绕组，结构与同步发电机的阻尼绕组一样，此时可采用类似于起动笼型异步电动机的方法来起动同步电动机，这是同步电动机最常用的起动方法。 3 异步起动 现代的同步电动机多数在转子上装有类似于异3 异步起动 此方法是在励磁回路串接约为励磁绕组10倍的附加电阻而构成闭合电路，然后把同步电动机定子绕组直接投入电网，使之按异步电动机起动，等到转速升到接近于同步转速时，再接入励磁电流，如图1211所示，为了减少起动电流，对大型同步电动机，可采用降压起动。 3 异步起动 此方法是在励磁回路串接约为励磁绕12-4 反应式同步电动机反应式同步电动机 在容量很小的同步电机中，不必装设励磁绕组，由于凸极转子的

19、xdxq，就会出现凸极电磁功率和相应的电磁转矩。这种电机由于只有电枢反应磁场，所以叫做反应式同步电动机。又由于转矩是直轴和交轴磁阻不同而产生的，所以又称为磁阻同步电动机。这种电机用在各种自动和遥控装置、仪表、电钟和电影机里，其功率可从百分之一瓦到数百瓦。 12-4 反应式同步电动机反应式同步电动机 在容量12-4 反应式同步电动机反应式同步电动机反应式同步电动机转矩的产生可以用图1212所示的简单模型来说明，图中N、S极表示电枢旋转磁场的磁极。 12-4 反应式同步电动机反应式同步电动机反应式同步电动反应式同步电动机 图12一12(a)是一个圆柱形隐极转子。当转子不励磁时，无论其转子直轴和电枢

20、旋转磁场的轴线相差多大角度都不能产生切向电磁力及电磁转矩。图1212(b)是反应式电动机的空转情况，电机产生的电磁转矩TM0，于是定子旋转磁场轴线和转子磁极轴线重合，磁力线不发生扭斜，空载电流近似为I0U/xd，当电动机加上机械负载时，则由于转矩不平衡，转子将发生瞬时减速，于是转子直轴将落后于电枢旋转磁场轴线一个角度，如图1212(c)所示，由图可见，由于直轴磁路的磁阻较交轴的小很多，故磁力线仍由极靴处进入转子，使磁场发生扭斜，并由此产生与定子磁场转向相同的磁阻转矩和负载转矩相平衡。如果角继续增大到90度时，由图1212(d)可见，这时气隙磁场又是对称分布，其合成转矩又变成零。 反应式同步电动

21、机 图12一12(a)是一个圆柱形隐极转子反应式同步电动机当转子不励磁时，电磁功率和对应的电磁转矩变为： 电动机的电磁转矩与 角的关系是按照sin2规律变化。当 时转矩等于零， 时转矩最大； 转矩又等于零。电磁功率和电磁转矩的最大值为 反应式同步电动机当转子不励磁时，电磁功率和对应的电磁转矩变为12-5 同步调相机研究的必要性 电网的负载主要是异步电动机和变压器，它们都从电网吸取感性无功功率，而使电网的功率因数降低，减少有功功率的传输能力，并使整个电力系统的设备利用率和效率降低，如能在适当地点把负载所需的感性无功功率就地供给，避免远距离输送，则既减小线路损耗和电压降，又可减轻发电机的负担而充分

22、利用它的容量，应用同步调相机便是解决这一问题的一个很有效的方法。 同步调相机的原理和用途同步调相机：不带机械负荷，运行于电动机状态，专用来改善电网功率因数的同步电机称为同步调相机或称为同步补偿机。除供应本身损耗外，它并不从电网吸收更多的有功功率，因此同步调相机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。 12-5 同步调相机研究的必要性 电网的负载主要是异步同步调相机的原理和用途假如忽略同步调相机的全部损耗，则电枢电流全是无功分量，其电动势方程式为 。过励时可看作是电网的一个电容性无功负载，而欠励时则为一个电感性的无功负载，只要调节励磁电流，就能灵活地调节它的无功功率大小。同步调相机的原理和用途假如忽略同步调相机的全部损耗，则电枢电12-5 同步调相机同步调相机的特点1）同步调相机的额定容量是指它在过励时的视在功率。励磁绕组是根据最大励磁电流引起的发热来设计的，而它在欠励运行时的容量只有过励容量的0.50.65倍，这是从实际运行需要来决定的。 2）由于同步调相机不拖动机械负荷，因而没有静态过载能力的要求，为了减少励磁绕组的用铜量，它的气隙比同步发电机和同步电动机的都要小些，因此，它的直轴同步电抗xd较大，其标么值往往可达2以上。 3）为了