用相量图分析同步发电机稳态运行时的功率特性

1、用相量图分析同步发电机稳态运行时的功率特性 张金霞 ( 青海大学水电系, 青海西宁? 810016) 摘要? 通过相量图分析同步发电机稳态运行时的有功功率和无功功率的调节, 总结 出随有功功率及无功功率变化而变化的量及其变化曲线。 关键词? 相量图 ? 同步发电机 ? 功率特性 中国分类号: TM341? ? 文献标识码: A 同步发电机在正常运行中有时需要调整各种参数。如要根据调度制定的负荷曲线来调整 有功功率和无功功率, 用调速器调整有功功率, 用励磁调节器调整无功功率。同步发电机稳态 运行时的功率特性就是用以说明发电机与电网并联运行时功率的传递情况。本文运用相量图 来分析同步发电机的功率

2、传递情况。 1 ? 电压平衡方程式及相量图的导出 空载时, 同步发电机( 旋转磁极式) 内只有转子磁通势产生的磁场, 它是由励磁电流 IL产 生的。该磁场可分为主磁通 ?0和转子漏磁通 ?0。可以证明, 主磁通 ?0在每相定子绕组感应 出来的电动势的有效值为 E0= 4?44KWfN?0( 伏) 式中 ? f ? 电动势的频率( 赫) N ? 每相定子绕组串联的匝数 ?0? 转子磁极主磁通( 韦) kW? ? 定子绕组的绕组系数 在相位上 E0落后 090 ( 图 1?a) , 即, 空载时调节励磁电流 IL就可以改变主磁通 ?0, 从而 改变 E0。通常把空载时 E0= f( IL) 曲线称

3、为同步发电机的空载特性( 图 1?b) 。 同步发电机带上负载以后, 电枢绕组有电流流过, 气隙中出现第二个磁场, 称为电枢磁场。 电枢电流 I 产生电枢磁场 ?s和漏磁场 ?s?, 如果负载对称则电枢磁场为旋转磁场。由此可见, 同步发电机负载时电机空气隙中的磁场是主场和电枢磁场共同作用而形成的。两磁场同向且 相对静止。电枢磁场对主磁场的作用称为电枢反应。当同步发电机带上感性负载时, 它的电 枢反应既有使合成磁场扭斜的作用, 又有去磁作用, 当同步发电机带上容性负载时, 它的电枢 反应既有使合成磁场扭斜的作用, 又有增磁作用, 在电枢绕组中就出现了三个感应电动势: a? 空载电动势E0? 由主

4、磁通 ?0产生。b ? 电枢电动势 ES? 由电枢主磁通 ?S产生。若不计 铁芯损耗 ?ES= - j?IXS。c? 电枢漏电势 Es? 由电枢漏磁通 ?S?产生。?ES?= - J?IX0。 收稿日期: 2000- 04- 09 作者简介: 张金霞( 1965- ) , 女, 青海西宁人, 讲师。 第 18 卷? 第 4期 2000 年8 月 ? ? ? 青海大学学报( 自然科学版) Journal of Qinghai University ? ? ? ? Vol. 18 No. 4 Aug. 2000 I? 电枢电流。XS? 电枢每相绕组的电枢电抗。XS? 电枢每相绕组的漏磁电抗。 考虑

5、到电枢电流 I 在电枢每相绕组电组 RS上的压降 IRS, 则电压平衡方程式为: ?U= ?E0+ ?ES+ ?E?- ?IR= ?E0- j?IXS- j?IXS ?- ?IR= E0- j?IXt- ?IR。 式中:Xt= XS+ XS ?称为同步发电机的同步电抗。 由于同步发电机特别是大容量同步发电机中 RS远小于 Xt, 因此, IRS可略。这样电压平 衡方程式为? ?E= ?U+ j ?IXt( 图2) 。 电机中电流、 磁通、 电动势的产生过程可用下图表示: 图2 2 ? 简单电力系统的功角特性 同步发电机中有: P1= P+ P0; 而 P= P2+ 3I2Rs? P2= 3UI

6、cos!。!是 ?U 与?I 的夹角。 式中: P1? 输入机械功率。P ? 电磁功率。P= 3E0Icos。 是 ?E0与?I 的夹角。 P2? 输出功率。P0? ? 空载损耗 I、 U、 Rs分别为电枢电流、 电压、 电阻。 图 3 若不计电枢电阻, 则: P= P2= 3UIcos!= 3E0Icos。从上面相量图中 可看出:UIsin# = IX1cos。 由上两式可得: P= 3E0U X1 sin#? ? 功角特性。参 P= f(# ) 图。 #? 功率角。它是? 0、 ? R的夹角, 也是 ?E0与 ?U 的夹角( 图 2) 。 3 ? 同步发电机稳态运行的调整 3. 1 ? 调

7、整有功功率维持励磁电流不变 从P1= P+ P0可知, P1增大, 则 P( P2) 、 #增大。反之相类同。从电压平衡相量图( 图 5) 可 知: j?IXt在纵轴上的投影 IXtcos!是有功电流 Icos!在Xt上的压降。因此, IXtcos!反映有功功率 的大小。同理, IXt在横轴上的投影 IXtsin!反映无功功率的大小。维持励磁电流不变( 即 E0 不变) 调整有功功率相量图( 图 4) 。 5第4 期 ? ? ? 张金霞: 用相量图分析同步发电机稳态运行时的功率特性? ? ? 图 4 图 5 以下就相量图详细分析。 1) 参图 6, 该状态为同步发电机空载状态。输入的机械功率

8、P1与空载损耗 P0平衡。 a? j?Ixt在纵轴上的投影为零, P= 0。# = 0 。 图 6 b ? j?Ixt在横轴上的投影最大。向电网输出最大无功功率( 感性) 。 c? cos!= 0, 电枢电流?I 落后 ?U90 , 完全去磁。 2) 参图 7, 该状态为同步发电机有载状态( 以下均同) 。P1= P+ P0。# 0 且增大。 a? j?Ixt在纵轴上的投影增加, 向电网输出有功 P 增加。 图 7 b ? j?Ixt在横轴上的投影减小, 向电网输出无功Q 减小。 c? cos!增大, 电枢电流既有扭磁作用又有去磁作用。 d ? I 增加。从相量图中可见 I? Xt I!Xt,

9、 所以 I? I!。 3) 参图 8, 该状态 ?U、 ?I 同相位。 a? j?Ixt在横轴上的投影为零。只输出有功功率 P, 而Q= 0。 b ? 功率因素角 != 0, cos!最大。 c? I 增加 4) 参图 9,#角继续增加。 a? j?Ixt在纵轴上的投影增加, 所以 P 增加。 图8 b ? j?Ixt在横轴上的投影增加, 所以Q( 容性) 增加。 c? 功率因素角 !增加, cos!减小( 容性) 。 d ? I 增加(?I 超前 ?U) 。 5) 参图 10,# = 90 a? 输出有功功率 P 达到最大值。 b ? j?Ixt在纵轴上的投影增到最大, 输出最大容性无功功率

10、 Q c? cos!减小( 容性) 。 6) #角继续增加, 同步发电机进入不稳定运行状态。 整个过程中P、 Q、 I、 cos!与#的关系曲线见图( 11) 。 6 ? ? ? ? ? ? ? ? 青海大学学报? ? ? ? ? ? ? 第 18 卷 图 9 图 10 图11 3. 2 ? 调整无功功率维持有功率不变 调节同步发电机的励磁, 就可以调节无功功率。维持有功功率不变, 假定 P1不变, 而 P0基本 恒定, 则P= 3E0U Xt sin# = 定值。P2= 3UIcos!= 定值。考虑到同步电抗 Xt是常数, 无穷大电网的 电压U 恒定, 故有: E0sin# = 定值。Ico

11、s!= 定值。而j?Ixt在纵轴上的投影不变。图 12、 13就为调 整过程相量图。图 12a、 b、 c 为 P= 0 时, 励磁电流 IL= IL0及增大、 减小三种调整状态。图 13 是 P 为某定值时, 励磁电流 IL增大、 减小的几种调整状态。下面就相量图详细分析。 图12 图 13 图14 图15 1) 参图 12a, 励磁电流 IL= IL0, 此时 ?U= ?E、 电枢电流 I= 0。 参图 12b, 励磁电流 IL增加,# = 0, E U, I 0 且滞后 ?U90 发电机输出感性无功功率。 参图 12c, 励磁电流 IL减小, # = 0, E 0且超前 ?U90 发电机

12、输出容性无功功率。 整个调整过程电枢电流 I 与励磁电流 IL的变化曲线是V 形曲线( 图 12d) 。 2) 参图 14, 与图 13 对照, 励磁电流 IL减小, ?E0从 ?E02到 ?E01。 a? j?IXt在横轴上的投影减小, 输出 Q 感性减小。 b ? I 减小( 因为相量图中 I2Xt I1Xt。c ? cos!增加( 感性) 。同时#角增加。 7第4 期 ? ? ? 张金霞: 用相量图分析同步发电机稳态运行时的功率特性? ? ? 3) 参图 15, 励磁电流 IL减小到某值( IL0) 时,?I 与 ?U 同相。 a? j?Ixt在横轴上的投影为零, Q= 0。与图13 对

13、照。 b ? 电枢电流 I 最小, 同时#角增加。c ? cos!= 1最大。 图 16 4) 参图 16, 励磁电流 IL继续减小, ?E0从 ?E01到 ?E!02。 a? j?Ixt在横轴上的投影增加, 输出Q 容性增加。 b ? 电枢电流 I 增加( 原理同上) 。 c? cos!减小( 容性) , 同时#角增加, ( 与图13 对照) 。 5) 参图 17, 励磁电流 IL减小最小,#= 90 。j?Ixt在横轴上的投 影增到某值, 输出Q 容性增到某值。 a? 电枢电流 I 增到某值。b ? cos!减小到某值。 图 17 整个调整过程, 无功功率 Q、 电枢电流 I、 功率因数

14、cos!及功率角#与 图 18 励磁电流 IL的变 化关系曲线如图 18。 参? 考? 文? 献 1? 马春森. 电机与电力拖动基础. 北京: 高等教育 出版社,1990. 196 2? 吴官熙. 电工学及电气设备. 北京: 水利电力出 版社,1996. 261 262 3? 范锡普. 发电厂电气部分. 北京: 水利电力出版 社,1990. 260 261 The Analysis of Power Characteristic of Synchro Generator by Steady Motion with Phaser Method Zhang Jin Xia ( Hydroelectric Department of Qinghai Unversity, Xining 810016) Abstract ? Analysing to adjust active power and reactive power of synchro generator by steady motion with pha