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1、,模块四 同步电机,学习情境14：同步电机的运行管理,主讲：阮湘梅,湖南水利水电职业技术学院电力工程系,14.1学习目标,【方法能力】培养学生自主学习能力、分析问题与解决问题的能力、组织实施的能力、电气设备规程规范的使用能力、自我管理能力和沉着应变能力。,【社会能力】培养学生安全用电意识、团队协作能力、协调沟通能力和语言表达能力。,【知识目标】掌握同步发电机的空载、短路特性、外特性、调整特性和效率特性、并列运行条件及操作方法、电磁平衡关系和功角特性、并列运行时有功、无功的调节、静态稳定和V形曲线、同步调相机和同步电动机、磁链守恒原理、三相突然短路对同步发电机的影响、异常运行种类。,【专业能力】
2、培养学生分析同步电机运行状态的能力和对同步电机进行管理的能力。,14.2.1 同步发电机运行特性,14.2.1.1、空载特性,定义：,空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。如空载损耗超过常规数值，即可能是定子铁芯有片间短路或转子绕组匝间短路等现象。,14.2.1.2、短路特性和短路比,定义：,短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。,1、短路特性,2、用空载特性和短路特性确定同步
3、电抗,的不饱和值,3、短路比的确定：,4、短路比,对电机的影响：,（1）影响电机尺寸。短路比大，即 小，气隙就 大，转子励磁安匝将增加，导致增加电机的用铜量、尺寸和造价。,（2）短路比大，则 小，负载电流引起的端电压的 波动幅度较小，但短路电流则较大。,（3）影响运行的静态稳定度。短路比大， 小，静态 稳定极限越高。,通常隐极同步发电机的短路比约为0.50.7， 凸极同步发电机的短路比约为1.01.4。,5、 饱和值的求取：,14.2.1.3、外特性和电压变化率,1、定义：,当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降.,带容性负载时且（发电机负
4、载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。,2、电压变化率,电压变化率是表征同步发电机运行性能的数据之一。现代同步发电机大多数装有快速自动调压装置，故 值可大些。但为了防止卸去负载时端电压上升过高，可能导致击穿定子绕组绝缘， 最好小于50%。隐极同步发电机由于电枢反应较强， 通常在3048这一范围内；凸极同步发电机的 通常在18%30%以内（均为,滞后时的数据）。,14.2.1.4、调整特性,1、定义：,在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，
5、必须减小励磁电流。,在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。,发电机的额定功率因数一般规定为0.8（滞后），制造厂是根据电力系统要求的功率因数来设计制造的。因此，电机运行在额定情况下，功率因数如果低于额定值，励磁电流超过额定值，转子绕组将过热。,14.2.1.5、效率特性,1、定义： 、 、 时,同步发电机在机械能转化为电能的过程中，会产生各种损耗：,2.定子铁损,3.励磁损耗,4.机械损耗,5.附加损耗 ：包括定子端部漏磁在各金属部件内引起的涡流损耗；定、转子铁芯由齿槽
6、引起的表面损耗；定子的高次谐波磁场在转子表面引起的损耗等。,定子铜损,效率也是同步发电机运行性能的重要数据之一。现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率大致在96%一98.5%这一范围内；空冷汽轮发电机的额定效率大致在94978这一范围内；氢冷时，额定效率约可增高0.8。图147是国产300MW双水内冷水轮发电机的效率特性。,并联运行的含义,14.2.2 同步电机的并列运行,1、提高供电的可靠性； 2、提高供电的经济性； 3、提高电能的质量。,无穷大电网的含义,将两台或更多台发电机通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。,并联运行的优点,并列方法,1.准同期法 2.自同期法,
7、14.2.2.1 准同期法,一、准同期并列的条件,1.待并发电机的电压与电网电压大小相等； 2.待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同； 3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.待并发电机的相序与电网的相序相同。,上述条件（4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。,不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。,重点内容,1. 电压大小不等,此时,ab两端有电位差,在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即,冲击电流为无功分量，不会加重原动机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢
8、绕组端部受冲击力的作用而变形。,2. 相位不同,电位差可达发电机电压的两倍，此时并列，会产生（2030） 冲击电流，发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏。,冲击电流的影响：1)电枢绕组端部受力变形; 2)转轴上受冲击转矩的作用,使机轴扭曲变形;)电枢绕组发热.,此时,ab两端有电位差,3. 频率不同,转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。,拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕组发热。,频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，可以把发电机拉入同步。,4. 相序不同,发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如U不超过10%，相位差不超过10%
9、，频率偏差不超过0.2%0.5%（0.10.25Hz)。,（二）同步操作方法,1、同步表法,2、旋转灯光法,在并列操作过程中，可能不是出现三个灯光旋转，而是三个指示灯光同时明暗的现象，这说明待并发电机与电力系统的相序不相同，这时绝对不容许投入并列，而应先停下机组，改正发电机的相序后再进行并列操作。 灯光法在电力系统中一般不采用，但在分析如何满足并列条件时较为直观形象。,1,2,3,旋转灯光法,1,2,3,暗灯法,14.2.2.2、自同期法,相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合
10、。,14.2.3 同步发电机的电磁功率和功角特性,14.2.3.1、功率平衡方程,得转矩平衡方程,上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。,14.2.3.2、转矩方程,或,14.2.3.3、同步发电机的功角特性,1、凸极同步发电机的功角特性,基本电磁功率,附加电磁功率,附加电磁功率的特点:,2 、隐极同步发电机的功角特性,对于隐极同步发电机，,所以只有基本电磁功率，,3、功角,与同步电机的运行状态,汽轮发电机的有功功率功角特性的特点:,1、是电动势 和电压 间的时间相位角;,或称是励磁磁势 和合成磁势 间的空间夹角。,2、是感应电动势 的主磁通 和
11、产生电压 的电枢等效假想磁通 之间的夹角。,功角 的双重物理意义,用图示功角的双重物理意义,转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。,可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。,1、有功功率的调节 并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。,b,14.2.4 同步发电机并列运行时有功功率的调节,14.2.4.2、静
12、态稳定,1、静态稳定分析：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。,在a点运行时电机具有静态稳定的能力。,若干扰使功角增大到a点， PM和TM增大，迫使电机减速，功角变小，电机回到a点。,干扰使功角减小时，有同样结论。所以a点称为稳定运行点。,而b点为不稳定运行点，分析略。,静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad),对汽轮发电机，比整步功率为,在电机稳定区域内， 越大，电机稳定性越好。,3、过载能力,汽轮发电机的过载能力,最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。,过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表
13、达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。,过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。,14.2.5 同步发电机并列运行时无功功率的调节,14.2.5.1、无功功率功角特性,并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即 If 不变）时，Q=f()为无功功率功角特性。,水轮发电机无功功率的功角特性,汽轮发电机无功功率的功角特性,汽轮发电机无功功率的功角特性曲线,几个特殊点:,从能量守恒观点看，并网运行的同步发电机调节无功功率，不需调节原动机来的输入功率，只需改变励磁电流。,调节 前，,增大 后,调节 不影响发电
14、机的有功功率输出,但影响电机的稳定性能。,调节无功时不影响有功功率的输出,但是调节有功时影响无功功率输出.,14.2.5.2、无功功率的调节,14.2.5.3、相量分析,1.正常励磁,2.过励磁,3.欠励磁,14.2.5.4、V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 和励磁电流 的关系曲线 称为“V”形曲线。,发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。,对于一个给定的有功功率输出就有一条V形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲线
15、。,滞后,超前,V形曲线的特点,2.不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜;,1.每条曲线的最低点, ,定子电流最小,且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；,3.每条曲线上的电流变化量I 为无功分量;,4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。,表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。,表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。,14.2.6 同步发电机的调相运行及同步电动机,同步电机运行于发电机状态时，如图所示。,转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，0，电机把机械能转变成电能。,同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。,14.2.6.
16、1 同步电动机,一、同步电机的可逆原理,逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，角减小，相应的电磁功率也减少。,当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。,继续减少发电机的输入功率，则和 Pem变为负值。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。,电机轴上加上机械负载，负值的增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。,总结： 同步电机有如下几种运行状态： 900，同步电机处于发电状态，向电网 输送有功功率，同时也可输送或吸收无功功率。 =0，同步电机处于发电机空载运行状态， 只向电网送出或吸收无功功率。 0，同步电机处于电动
