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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)电电能能的的供供应应可可以以相相互互调调剂剂，合合理理使使用用，从从而而更更合合理理地地利利用用动动力力资源和发电设备。资源和发电设备。增增加加供供电电的的可可靠靠性性。一一台台发发电电机机的的故故障障，不不致致于于造造成成停停电电事事故故，同时，也减少了备用容量。同时，也减少了备用容量。供供电电的的质质量量增增加加了了。由由于于系系统统容容量量很很大大，一一台台电电动动机机的的起起动动、加加载载、停停机机，对对系系统统来来说说，几几乎乎就就没没有有影影响响，因因此此，电电网网的的电电压压和频率能保持在要求的恒定范围内。和频
2、率能保持在要求的恒定范围内。11-1 概述二、无限大电网无无限限大大电电网网：现现代代的的电电力力系系统统容容量量很很大大，系系统统的的电电压压和和频频率率可可以以看看作作是是不不变变的的，即即U=常常数数，f常常数数，这这样样的的电电网网称称为为无无限限大大电电网网，所所以以无无限限大大电电网网实实际际上上是是相相当当于于一一个个内内阻阻抗抗等等于于零零的的恒恒频频、恒压电源。恒压电源。由由于于并并网网后后的的发发电电机机运运行行情情况况要要受受到到电电力力系系统统的的制制约约，也也就就是是它它的的电电压压、频频率率要要和和电电网网一一致致而而不不能能单单独独变变化化。因因此此，对对发发电电
3、机机的的运行分析将与单机运行有所不同。运行分析将与单机运行有所不同。实实际际上上，系系统统的的容容量量是是有有限限的的无无限限大大电电网网只只是是一一个个相相对对的的概概念念负负载载增增加加时时，就就必必须须增增加加发发电电量量，否否则则，电电压压和和频频率率就就会会下下降降，只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。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 为为了了避避免免并并联联合合闸闸时时引引起起电电流流、功功率率以以及及由由此此引引起起的的发发电电机机内部的机械应力的冲击，将要内部的机械应力
4、的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件：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电压幅值，而且波形一致。发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致。2.2.投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致，即投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致，即3.3.发电机的频率等于电网的频率，即发电机的频率等于电网的频率，即4.4.发电机的相序必须与电网相序一致。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二、不满足并联投入条件的后果二、不满足并联投入条件的后果(1)(1)、频率相等，相序一致，但发电机电压和电网电压不相等。、频率相等，相序一致，但
5、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。、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、不满足并联投入条件的后果二、不满足并联投入条件的后果(3)(3)、电压相等，频率相等，但发电机相位和电网相位不相等。、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条件，但其它两相由于相序不同而
6、使电压相位相差120120度度 ，它，它将引起很大的冲击环流，危害电机的安全运行。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。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三、并联投入方法三、并联投入方法(1)(1)整整步步过过程程：把把发发电电机机投投入入到到电电网网所所进进行行的的操操作作过过程程称称为为整整步步过过程程（或称
7、并车（或称并车)，整步方法：，整步方法：准整步和自整步准整步和自整步。准整步准整步：把发电机调整到完全合乎并联投入，然后投入电网，：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。这种方法叫准整步。自整步自整步；首先校验发电机的相序，并按照规定的转向；首先校验发电机的相序，并按照规定的转向(和定和定子旋转磁场的转向一致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把励磁绕组通过一限流电阻短路(不加励磁不加励磁)，然后把发电机，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投入电网，并立即加上励磁，
8、依靠定、转子间形成的电磁力矩，把转子自动地拉入同步。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、并联投入方法三、并联投入方法(2)(2)讨论：讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，励磁绕励磁绕 组不组不 应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励磁绕组也不直接磁绕组也不直接 短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。通常的做法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
9、点是投网时冲击电流稍大。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、并联投入方法三、并联投入方法(3)(3)准整步法并车方法准整步法并车方法：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，一种是法，一种是暗灯法暗灯法，另一种叫，另一种叫旋转灯光法旋转灯光法。11-2 同步发电机并联投入的条件和方法三、并联投入方法三、并联投入方法(4)(4)采用准整步法并车的判断方法：采用准整步
10、法并车的判断方法：1.暗灯法暗灯法 在并联刀闸的对应端接上三组灯泡，如图在并联刀闸的对应端接上三组灯泡，如图114所示，每一组所示，每一组灯泡称为相灯，由于相灯两端电压最大可达两倍相电压，因此，灯泡称为相灯，由于相灯两端电压最大可达两倍相电压，因此，对于相电压为对于相电压为220伏的发电机，应用两个伏的发电机，应用两个220伏的灯泡串联作为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。联结组别。11-
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.暗灯法暗灯法 三、并联投入方法三、并联投入方法(6)(6)1.暗灯法暗灯法 发电机的相序和电网的相同，电压也相同，但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，亮灭的快慢的电压同时发生变化，于是三组灯将同时亮，同时灭，亮灭的快慢决定于决定于 ，调节发电机的转速，直到三组灯亮、灭变化，调节发电机的转速，直到三组灯亮、灭变化很慢时，就表示很慢时，就表示 ，当三组灯同时熄灭，当三组灯
12、同时熄灭，AS、AG间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，此时件，此时就可合闸。就可合闸。2.灯光旋转法灯光旋转法 在暗灯法中，如果相序在暗灯法中，如果相序接错，相灯的灯光就会接错，相灯的灯光就会旋转起来。如果把两组旋转起来。如果把两组相灯接在不同的相之间，相灯接在不同的相之间，使它们在正确的相序下。使它们在正确的相序下。出现旋转的灯光，这种出现旋转的灯光，这种并联合闸的方法，叫做并联合闸的方法，叫做灯光旋转法。灯光旋转法。11-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式一、功率平衡方程式一、功率平衡方程式(1)(1)发电机对称稳
13、态运行时，原动机投入到发电机的机械功率为发电机对称稳态运行时，原动机投入到发电机的机械功率为P1，扣除发电机的机械损耗扣除发电机的机械损耗pm，铁耗铁耗pfe 和附加损耗和附加损耗pad后，通过电后，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分转换的功率称为电磁功率PM，用方程式表示为，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、功率平衡方程式一、功率平衡方程式(2)(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二、转矩方程式二、转
14、矩方程式(1)(1)T1为原动机驱动转矩为原动机驱动转矩T0为发电机空载转矩为发电机空载转矩TM为发电机的电磁转矩为发电机的电磁转矩11-4 同步电机的功角特性功率角功率角：指励磁电动势：指励磁电动势 和电网电压和电网电压 这两个向量之间的夹角这两个向量之间的夹角 功角特性：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
15、发出的最大电磁功率，还可以用它来分析静态稳定等问题。出的最大电磁功率，还可以用它来分析静态稳定等问题。一、隐极式同步发电机的功角特性(1)推导：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）保持励磁电流不变保持励磁电流不变时，电磁功率与功角按时，电磁功率与功角按正弦曲线变化，正半波正弦曲线变化，正半波代表发电机工况。代表发电机工况。（2）电磁功率一定时，电磁功率一定时，改变励磁电流改变励磁电流 ，若，若 ，则，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性(3)讨论：1）若功角特性两边同除以同步机械角速度）若功角特性两边同除以同步机械角
16、速度2）不同的励磁电流产生不同的励磁电动势不同的励磁电流产生不同的励磁电动势E0，因，因 此可以得到不此可以得到不同的功角特性同的功角特性3）若用标么值表示二、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)基本电磁功率基本电磁功率附加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
17、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。，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
18、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 1（超前）。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 同同步步电电动动机机的的电电磁磁转转矩矩是是由由定定子子电电流流建建立立的的旋旋转转磁磁场场与与转转子子磁磁场场的的相相互互作作用用而而产产生生的的，仅仅仅仅在在两两者者相相对对静静止止时时，才才能能得得到到平平均均电电磁磁转转矩矩。如如将将同同步步电电动动
19、机机转转子子通通入入直直流流励励磁磁，并并将将定定子子绕绕组组直直接接投投入入电电网网，这这时时定定子子旋旋转转磁磁场场与与转转子子磁磁场场间间有有相相对对运运动动，所所以以不能产生恒定方向的电磁转矩，电机不能不能产生恒定方向的电磁转矩，电机不能起动起动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，达到图度，达到图(b)位置，这时转子又倾向予顺时针转动，结果转子位置，
20、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，故电动机不能自均值为零，故电动机不能自起动，为此必须借助其它方法。起动，为此必须借助其它方法。12-3 同步电动机的起动方法1 辅助电动机起动辅助电动机起动 选选用用和和同同步步电电机机有有相相同同极极数数的的异异步步电电动动机机（容容量量为为主主机机的的5%15%）作作为为辅辅助助电电机机，用用辅辅助助电电机机带带动动同同步步电电动动机机接接近近同同步步速速，然然后后合合主主闸闸，并并立立即即给给同同步步电电动动机机励励磁磁，利利用用自自整整步步拉拉入入同同步。步。也也有有用用比比同同步
21、步电电机机极极数数少少两两极极的的异异步步电电动动机机作作为为辅辅助助电电机机，将将主主机机拖拖到到高高于于同同步步速速后后拉拉断断电电源源，当当转转速速降降到到同同步步速速时时，再再将将同步电动机投入电网，这样可获得更大的整步转矩。同步电动机投入电网，这样可获得更大的整步转矩。此此法法的的缺缺点点是是不不能能在在负负载载下下起起动动，否否则则要要求求辅辅助助电电机机的的容容量量大，增加整个机组设备投资，所以此方法现在一般不用。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2 调频起动 调调频频起起动动的的实实质质是是设设法法改改变变定定子子旋旋转转磁磁场场的
22、的转转速速，使使定定、转转子子之之间间产产生生的的电电磁磁转转矩矩能能带带动动转转子子同同步步旋旋转转，为为此此，起起动动时时需需要要把把调调频频电电源源的的频频率率调调得得很很低低，然然后后逐逐步步增增加加电电源源频频率率直直至至额额定定频频率率为止。为止。此此方方法法的的缺缺点点是是需需要要有有一一套套变变频频电电源源，而而且且励励磁磁机机还还要要由由其其它它电电机机拖拖动动，因因为为并并激激直直流流发发电电机机低低速速时时不不能能产产生生所所需需的的励励磁磁电电压压，这种方法设备昂贵复杂，一般少用这种方法设备昂贵复杂，一般少用。3 异步起动异步起动 现现代代的的同同步步电电动动机机多多数
23、数在在转转子子上上装装有有类类似似于于异异步步电电动动机机笼笼式式绕绕组组的的起起动动绕绕组组，结结构构与与同同步步发发电电机机的的阻阻尼尼绕绕组组一一样样，此此时时可可采采用用类类似似于于起起动动笼笼型型异异步步电电动动机机的的方方法法来来起起动动同同步步电电动动机机，这这是是同同步步电动机最常用的起动方法。电动机最常用的起动方法。3 异步起动异步起动 此此方方法法是是在在励励磁磁回回路路串串接接约约为为励励磁磁绕绕组组10倍倍的的附附加加电电阻阻而而构构成成闭闭合合电电路路，然然后后把把同同步步电电动动机机定定子子绕绕组组直直接接投投入入电电网网，使使之之按按异异步步电电动动机机起起动动，
24、等等到到转转速速升升到到接接近近于于同同步步转转速速时时，再再接接入入励励磁磁电电流流，如如图图1211所所示示，为为了了减减少少起起动动电电流流，对对大大型型同同步步电电动动机机，可采用降压起动。可采用降压起动。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 在在容容量量很很小小的的同同步步电电机机中中，不不必必装装设设励励磁磁绕绕组组，由由于于凸凸极极转转子子的的xdxq，就就会会出出现现凸凸极极电电磁磁功功率率和和相相应应的的电电磁磁转转矩矩。这这种种电电机机由由于于只只有有电电枢枢反反应应磁磁场场，所所以以叫叫做做反反应应式式同同步步电电动动机机。又又由由于于转转矩矩是是直
25、直轴轴和和交交轴轴磁磁阻阻不不同同而而产产生生的的，所所以以又又称称为为磁磁阻阻同同步步电电动动机机。这这种种电电机机用用在在各各种种自自动动和和遥遥控控装装置置、仪仪表表、电电钟钟和和电电影影机机里里，其其功率可从百分之一瓦到数百瓦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。反应式同步电动机反应式同步电动机 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(
26、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
27、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 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。
28、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。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。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）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
29、有过励容量的倍，这是从实际运行需要来决定的。的容量只有过励容量的倍，这是从实际运行需要来决定的。2 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）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，因此步电动机的都要小些，因此，它的直轴同步电抗它的直轴同步电抗xd较大，其标么较大，其标么值往往可达值往往可达2以上以上。3 3）为了提高材料利用率，同步调相机的极数较少，转速较高，）为了提高材料利用率，同步调相机的极数较少，转速较高，此外，由于它不带机械负载
30、它的转轴可以设计得细些此外，由于它不带机械负载它的转轴可以设计得细些。12-5 同步调相机同步调相机的起动问题 同步调相机与同步电动机一样，可采用辅助电动机法或异步起动法起动，而以后者为多。由于向步调相机容量较大(几千或几万伏安)，在异步起动投入电网时，相当于投入一个很大的电感负载，将显著地降低同步调相机接入处电压，而严重影响附近其它用电设备的正常运行。因此，通常要在定子回路中串入电抗器起动，以限制起动电流。为了减小无功电流在线路上产生损耗和压降，一般把同步调相机装设在受电端。在长距离输电线路中，为了提高输电的稳定性，也有在输电线中间加装同步调相机的，叫做中间补偿。同步调相机的装设位置同步电动
31、机和同步调相机本章小结发电机、电动机和调相机是同步电机的三种运行状态。发电机把机械能转变 为电能；电动机把电能转换为机械能；同步调相机中基本没有有功功率的转 换，它既可看成是空载运行的同步电动机，又可看成是专门发出无功功率的 无功发电机。忽略定子绕组电阻时，同步电机的电磁功率决定于功角，当 超前于 是发电机运行状态；超前于 是电动机运行状态；而 时为同步调相 机状态。无论是同步发电机、同步电动机还是同步调相机，当它们接在电网上时，调 节励磁就可以调节发出或从电网吸收的无功功率，而且在过励状态下，都是 发出感性无功；在欠励状态下，都是发出容性无功功率。这是同步电机一个 可贵的性质。为减少无功电流在线路上产生的电阻损耗和电压损失，同步调相机一般装设 在用户端。同步电动机和同步调相机不能自起动，一般采用异步起动。