第13章 同步发电机的并联运行(2 功角特性)分解

第13章 同步发电机的并联运行13.1 试述三相同步发电机理想并列的条件? 为什么要满足这些条件?答：三相同步发电机理想并列的条件是：（1）发电机的端电压g U 与电网电压c U 大小相等，相位相同，即c g U U =；（2）发电机的频率g f 与电网频率c f 相等；（3）发电机的相序与电网相序相同。

如果cg U U ≠，则存在电压差c U U U -=∆，当并列合闸瞬间，在U ∆作用下，发电机中将产生冲击电流。

严重时，冲击电流可达额定电流的5~8倍。

如果c g f f ≠，则电压相量g U 与c U 的旋转角速度不同，因此相量gU 与c U 便有相对运动，两相量的相角差将在0～360之间变化，电压差U ∆在（0～2）g U 之间变化。

频率相差越大，U ∆变化越激烈，投入并列操作越困难，即使投入电网，也不易牵入同步。

交变的U ∆将在发电机和电网之间引起很大的电流，在转轴上产生周期性交变的电磁转矩，使发电机振荡。

如果发电机的相序与电网相序不同而投入并列，则相当于在发电机端点上加上一组负序电压，g U 和cU 之间始终有 120相位差，电压差U ∆恒等于g U 3，它将产生巨大的冲击电流和冲击转矩，使发电机受到严重破坏。

13.2 同步发电机的功角在时间和空间上各具有什么含义?答：功角δ既是时间相量空载电动势0E 与电机端电压U 之间的时间相位差角，又是空间相量主磁场0Φ 与合成磁场UΦ 之间的空间夹角。

13.3 与无穷大电网并联运行的同步发电机，如何调节有功功率？调节有功功率对无功功率是否产生影响？如何调节无功功率？调节无功功率对有功功率是否产生影响？为什么？答：与无穷大电网并联的同步发电机，通过调节原动机的输入功率（增大或减小输入力矩）来调节有功功率，调节有功功率会对无功功率产生影响；通过调节发电机励磁电流来调节无功功率，调节无功功率对有功功率不产生影响，因为在输入功率不调节时，输出功率不会变化，这是能量守衡的体现。

第十三章同步发电机的并联运行同步电动机第十三章同步发电机的并联运行同步电动机概念题13-1 比较变压器并联运行和同步发电机运行的条件的异同点变压器并联运行的条件是各台变压器的联机组相同，额定电压和变比相等。

要是变压器之间合理分配负载，还要求各变压器应有相同的短路电流标么值。

同步发电机和大电网并联运行的条件是发电机和电网的电压有效值相等，相位相同，频率相同和相序一致。

因为同步发电机的励磁可以调节，各台发电机并联运行时端电压相等，但空载电动势可以不同，同步电抗的数值不能决定负载电流的分配，同步发电机的电抗有不同数值时仍可并联运行，这是和变压器要求有相同的短路阻抗，是不同的。

13-2 什么是同步发电机的功角特性？再推导功角特性时用什么假定？功角θ的时间和空间物理意义是什么？功角特性是电磁功率与功角的关系。

推导功角特性时，略去电枢电阻。

功角θ是电动势Eo和电压U之间的时间和相位差，如忽略漏阻抗压降，θ是产生电动势Eo的转子主磁通Φ0和产生Eδ=U的合成磁通之间的空间相位差。

表示转子旋转磁场和气隙合成旋转磁场之间的相对位置。

功角的大小和电磁的功率成正比。

功角数值的正负，决定同步发电机的运行状态。

13-3 为什么隐极同步发电机和凸极发电机的功角特性表达式不同？隐极同步发电机空气隙均匀，气隙磁阻为常数。

功角特性P=======.功角θ=90时，输出功率最大。

凸极同步发电机空气隙不均匀，直轴范围磁阻小，交轴范围磁阻大，因为交直轴的磁阻不相等产生附加电磁功率称为磁阻功率。

功角特性P=======。

由式可见磁阻功率仅与电网电压U有关，只要Xd=Xq，θ≠0，就会产生磁阻功率。

凸极发电机的基本电磁功率在θ=90时最大，磁阻功率在θ=45时最大，总的电磁功率最大值将出现在45~90之间。

13-4 和大电网并联的同步发电机，输出有功功率不变，改变励磁电流的大小，输出无功功率的大小是否改变？和大电网并联的同步发电机，输出有功功率不变，改变励磁电流的大小，则无功功率的大小要改变，过历时发电机输出的感性无功功率，欠励时发电机输出容性无功功率。

发电机功角特性同步发电机的功角特性是指发电机的有功功率(P)、无功功率(Q)与发电机电抗(Xd、Xq)、内电动势(Ed)、机端电压(U)和功角(δ)的关系特性。

(1) 发电机功角特性。

1)有功特性：发电机输出的有功功率为：P = Ed*U*Sinδ/Xd + U2*Sin2δ*(1/Xq – 1/Xd)/22)无功特性：发电机输出的无功功率为Q = Ed*U*Cosδ/Xd + U2*Cos2δ*(1/Xq – 1/Xd)/2 - U2*(1/Xq + 1/Xd)/2(2)隐极发电机功角特性。

对于隐极发电机，取Xd = Xq。

1) 有功特性：发电机输出的有功功率为P = Ed*U*Sinδ/XdP代表发电机输出的有功功率，对发电机产生制动的电磁转矩。

在一定的电压和励磁电流下，发电机的有功功率P与功角多是函数关系。

2) 无功特性：发电机输出的无功功率为Q = Ed*U*Cosδ/Xd + U2/Xd式中第一项与Ed和δ有关，它表示由转子励磁经电磁感应传递到定子的无功功率，值随δ角的余弦而改变。

由于U*Cosδ = Ed – Id*Xd，则上式第一项可改写为Ed2/Xd – Ed*Id第二项与Ed和δ无关，它代表发电机维持一定端电压U所需励磁的无功功率。

因为Ed = U*Costδ + Id*Xd，故Q = Ed*Id – Id2*Xd，即供给电网的无功功率等于主磁通转换的无功功率减去电枢绕组电感的无功损耗。

由此可见，增加发电机的励磁电流(即加大Ed)，便可增大发电机的无功输出。

对于隐极发电机，取Xd = Xq。

此时发电机输出的有功功率为P = Ed*U*Sinδ/Xd但当δ = 90°时，P为最大功率（即极限功率）。

功角特性是同步发电机的基本特性之一。

通过功角特性，可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率。

功角特性还是研究同步发电机并联运行时经常应用的重要特性。

功角的物理含义功角有两重含义：一是表示E和U这两个时间相量之间的时间相位差角；二是表示产生E0的主磁极磁势Ff与产生端电压U的定子合成磁势Fu之间的空间相位角，即转子磁极轴线与定子合成等效磁极轴线之间的空间夹角(电角度)。

同步发电机与电⽹的并联运⾏重庆⼤学电⽓⼯程学院，《电机学》课程，4.5学分，上课72学时，实验18学时，韩⼒，? 2005，hanli@，65111229同步发电机与电⽹的并联运⾏电⽓⼯程学院韩⼒本节内容并联运⾏的⽬的意义投⼊并联运⾏的条件投⼊并联运⾏的⽅法功⾓特性有功功率的调节⽆功功率的调节发电机并⽹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：由多台发电机组成⼀个发电⼚，由许多发电⼚构成电⼒系统，容量⼤，负荷变化时对系统的电压和频率的影响就⼩。

同步发电机投⼊并联运⾏的条件同步发电机与电⽹的相序必须⼀致；同步发电机与电⽹的频率应相同；同步发电机的激磁电动势E0与电⽹电压U的幅值、相位、波形应相同。

同步发电机投⼊并联运⾏的条件相序⼀致：多相系统相容的基本要求。

波形、频率、幅值、相位相同：交流电磁量相等的基本条件。

同步发电机投⼊并联运⾏的⽅法准确整步法直接接法交叉接法⾃整步法直接接法（灯光熄灭法）交叉接法（灯光旋转法）⾃整步法前提：相序⼀致。

将励磁绕组通过限流电阻短接；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，将发电机牵⼊同步转速。

注意事项：励磁绕组必须通过⼀个限流电阻短接，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。

同步发电机并⽹⽅法的⽐较同步发电机的功⾓特性前提：E0、U、f保持不变；忽略电枢电阻，Ra=0。

不计饱和寻求：Pe＝f(δ)同步发电机的功⾓特性同步发电机的功⾓特性同步发电机的功⾓特性隐极与凸极同步发电机功⾓特性的⽐较隐极与凸极同步发电机功⾓特性的⽐较功率⾓的双重含义同步发电机有功功率的调节“⽆穷⼤”电⽹的概念有功功率的调节静态稳定“⽆穷⼤”电⽹的概念电⽹视在功率S等于⽆穷⼤；电⽹内部阻抗Z等于零；电⽹电压U等于常数；电⽹频率f等于常数。

同步发电机的并联运行§11-4 同步发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，用表示。

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。

0E &U&θ¾功率角θ的物理意义1）功率角是和之间的时间相位差角，对发电机而言，θ角是励磁电动势超前于端电压的时间角。

0E &U &0E &U &同步发电机的并联运行§11-4 同步发电机的功角特性同步发电机的并联运行§11-5 同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定以隐极电机为例，饱和影响和电枢电阻略去不计，由于把电网看作无限大电网。

所以U＝常值，且f=常值。

同步发电机的并联运行§11-5 同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定¾静态稳定在电网或原动机方面偶然发生一些微小扰动时，当扰动的原因消失以后，发电机能否回到原先的状态继续运行，这称为同步发电机的静态稳定问题。

如果能回到原先的状态，发电机就是“静态稳定”的，反之，就是不稳定的。

¾静态稳定静态稳定条件：以θ角表示。

对于隐极同步发电机，运行在0°<θ<90°范围内，发电机是静态稳定的。

运行在90°<θ<180°范围内，发电机是静态不稳定的。

当θ=90°时，是静态稳定和不稳定的转折点，称为静态稳定极限。

极限电磁功率静态稳定条件：以微分形式表示。

发电机是否稳定取决于：由于外界的扰动使发电机的功角变化时。

电磁转矩的增量是大于零还是小于零。

若用微分形式表示是否静态稳定，则可用当功率角θ增加一个dθ时，如果电磁转矩也增加一个dT，当功率角减小一个dθ时，电磁M转矩也减小一个dT，则运行是稳定的。

M¾静态稳定1）隐极汽轮发电机的额定运行点一般设计在θ=3 0°~40 °范围内，以保证一定大小的同步转矩系数，即电机具备一定的稳定能力。