第十五章同步電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行15-1并聯(lián)合閘的條件與方法15-2同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程15-3同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功角特性15-4同步發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定15-5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線本章要點(diǎn):

25-1并聯(lián)合閘的條件與方法

二、投入并聯(lián)的方法

一、并聯(lián)合閘的條件本節(jié)要點(diǎn):

一、并聯(lián)合閘的條件

同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)時(shí)，為了避免在電機(jī)和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流，并由此而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生沖擊扭矩，應(yīng)當(dāng)使發(fā)電機(jī)相電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值與電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值一直保持相等。并聯(lián)環(huán)流：電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)一、并聯(lián)合閘的條件1、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)連接的相序應(yīng)相同；2、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的頻率應(yīng)相同，即；3、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓波形應(yīng)相同；4、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓的大小和相位波形應(yīng)相同。如果發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)連接的相序不相同

以上條件中，第一條必須滿足，其余條件允許稍有差別。

如果相序不同而投入并聯(lián)，則相當(dāng)于電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)為正序而在電機(jī)端點(diǎn)上卻加上一組負(fù)序電壓，這是一種嚴(yán)重的故障情況，電流和轉(zhuǎn)矩沖擊都很大，必須避免。1、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)連接的相序應(yīng)相同如果：相量和之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩者的相位差將在00~3600之間逐步變化，差值電壓：

將忽大忽小，引起數(shù)值交變的環(huán)流和電機(jī)內(nèi)的功率振蕩。2、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的頻率應(yīng)相同，即注意278頁(yè)當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁279頁(yè)當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的速度

如果波形不同，例如為正弦波而為非正弦波。3、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓波形應(yīng)相同

這時(shí)即使的基波分量與完全相同，仍會(huì)在電機(jī)和電網(wǎng)中產(chǎn)生高次諧波環(huán)流，使運(yùn)行損耗和溫升增高。~-~-~

如果頻率和波形都一樣，只是電機(jī)和電網(wǎng)電壓的大小和相位不一致，則在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)間由于差值電壓。將產(chǎn)生一個(gè)環(huán)流4、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓的大小和相位波形應(yīng)相同

在極性相反的情況下投入并聯(lián)時(shí)，環(huán)流的瞬變狀態(tài)數(shù)值可達(dá)（5~8）IN，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊性電磁力，可能使定子繞組端部受到損傷。二、投入并聯(lián)的方法

為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為同步（或整步）過程。實(shí)用的同步方法有兩種：1、準(zhǔn)同步法2、自同步法

（一）準(zhǔn)同步法把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全合乎投入并聯(lián)條件再進(jìn)行并聯(lián)合閘操作，叫做準(zhǔn)同步。判斷這些條件是否滿足，常采用同步指示器。

最簡(jiǎn)單的同步指示器由三對(duì)同步指示燈（相燈）組成。每對(duì)跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的一相之間。具體接法有交叉接法和直接接法兩種。ABCC2B2A2C1B1A1相燈燈光旋轉(zhuǎn)法的接線由電路對(duì)稱性可知電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)中點(diǎn)是等位點(diǎn)。由于相燈的電阻很大，流過相燈的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)的額定電流完全可以忽略不計(jì)。故發(fā)電機(jī)任一相電壓就是該相的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)。

而作用在每一對(duì)相燈上的電壓就等于該相電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)電壓之差，即：設(shè)發(fā)電機(jī)的頻率fg大于電網(wǎng)的頻率fS，而電壓值相等：加于三對(duì)相燈的電壓：各不相等，先是當(dāng)移到與同相時(shí)，第一對(duì)相燈熄滅，然后發(fā)電機(jī)相量移過1200使與同相時(shí)，第二對(duì)燈熄滅。如果再移過1200使與同相時(shí)，第3對(duì)燈熄滅。由此可見如將三對(duì)燈沿圓周均勻分布，并按逆時(shí)針方向順序布置三對(duì)燈。燈光的熄滅順序也是沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。電位差u加在一對(duì)相燈上。以A相為例，初相角均為零時(shí)作為時(shí)間t=0，可得：

的瞬時(shí)值以：頻率（稱作拍頻）在:

之間往復(fù)變化。本身是一個(gè)頻率為的交流電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)：的頻率為51Hz，而其幅值以1Hz的拍頻頻率在變化。每個(gè)相燈上的電壓為：其端電壓有效值在之間往復(fù)變動(dòng)。變動(dòng)的頻率為：fg-fs=2Hz，是拍頻的兩倍。其周期為：在此期間燈光亮、暗各一次。ABCC2B2A2C1B1A1相燈燈光旋轉(zhuǎn)法的接線如果由于每秒鐘繞轉(zhuǎn)兩圈，故燈光每秒鐘也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩圈。應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓使Ug=US并同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的速率使fg盡可能接近fS。可以觀察到燈光的旋轉(zhuǎn)愈來愈慢。當(dāng)燈光旋轉(zhuǎn)已十分慢緩時(shí)，應(yīng)在第1對(duì)相燈全暗的瞬間合閘，將電機(jī)并入電網(wǎng)。這時(shí)依靠電機(jī)的自整步作用，可迅速自動(dòng)地使發(fā)電機(jī)的速率調(diào)到準(zhǔn)確的同步速率，發(fā)電機(jī)牽入同步運(yùn)行。（二）自同步法用準(zhǔn)同步法投入并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是合閘時(shí)沒有沖擊電流，但是操作復(fù)雜很費(fèi)時(shí)間。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障要求把備用的發(fā)電機(jī)迅速起動(dòng)并投入并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)電壓和頻率很不穩(wěn)定，時(shí)刻在變化，采用此方法更難投入，這時(shí)往往采用自同步法。自同步法并網(wǎng)的步驟如下：1、先將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路。2、當(dāng)發(fā)電機(jī)升速到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)（要求電機(jī)和電網(wǎng)的頻率差在正負(fù)5%以下），先合上并聯(lián)開關(guān)，再立即接入勵(lì)磁。即可依靠定、轉(zhuǎn)子間的電磁力自動(dòng)將電機(jī)牽入同步。自同步法并網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡(jiǎn)單、迅速，不需要增添復(fù)雜的設(shè)備。自同步法并網(wǎng)的缺點(diǎn)是：合閘及加勵(lì)磁時(shí)都有電流沖擊。15-3同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行的理論基礎(chǔ)單是合上并聯(lián)的開關(guān)，還不能說是一定能夠并聯(lián)運(yùn)行。比如，在并聯(lián)條件里發(fā)電機(jī)和電壓和頻率與電網(wǎng)不是嚴(yán)格相等，合閘后發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)能不能同步呢？怎樣給發(fā)電機(jī)帶上負(fù)載？如何分配電網(wǎng)中每臺(tái)發(fā)電機(jī)擔(dān)負(fù)的負(fù)載？1.空載運(yùn)行

同步發(fā)電機(jī)在理想條件下并聯(lián)到電網(wǎng)，原動(dòng)機(jī)只供給同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的損耗功率?？蛰d損耗風(fēng)阻摩擦機(jī)械損耗鐵損耗原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩分析：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，看會(huì)不會(huì)改變空載運(yùn)行狀態(tài)？ABCC2B2A2C1B1A1如果勵(lì)磁電流增加如果勵(lì)磁電流減少調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改變了

的總性質(zhì)是無功電流電流滯后電網(wǎng)電壓電角度電流超前電網(wǎng)電壓電角度改變同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，只能使得電樞繞組產(chǎn)生滯后或超前的純無功電流，發(fā)電機(jī)沒有輸入或輸出有功功率。2、負(fù)載運(yùn)行并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：勵(lì)磁電流原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩1）同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩氣隙合成磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

是一制動(dòng)轉(zhuǎn)矩一個(gè)等效集中繞組電流為轉(zhuǎn)子半徑電磁轉(zhuǎn)矩方向與原動(dòng)機(jī)方向相反。1）轉(zhuǎn)矩平衡和功率平衡同步發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)在對(duì)稱負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率P1在扣除發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的機(jī)械損耗pmec、鐵耗p0和附加損耗pad后，即轉(zhuǎn)化為電磁功率PM。對(duì)于勵(lì)磁損耗pcuf的處理則因勵(lì)磁系統(tǒng)而異。對(duì)于同軸勵(lì)磁機(jī)，P1中還應(yīng)扣除輸入勵(lì)磁的全部功率pf后才是PM。對(duì)于單獨(dú)拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)（勵(lì)磁機(jī)組），發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁損耗由勵(lì)磁機(jī)組供給而與P1無關(guān)。電磁功率PM是通過電磁感應(yīng)作用由氣隙合成磁場(chǎng)傳遞到定子的電功率。發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)還要扣除電樞銅耗，才是輸出的電功率P2，即：15-4有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定1、同步發(fā)電機(jī)的功角特性1）隱極發(fā)電機(jī)的功角特性

是同步發(fā)電機(jī)的功率角同步發(fā)電機(jī)功率角的物理意義勵(lì)磁電流不變，也不變因?yàn)槭菬o限大電網(wǎng)，是常數(shù)

是同步電抗不飽和值，是常數(shù)。調(diào)節(jié)電磁功率，只能調(diào)節(jié)功率角如何調(diào)節(jié)功率角與夾角是與夾角是轉(zhuǎn)速是電氣旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)速是原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

所以，調(diào)節(jié)電磁功率，就是調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：并聯(lián)到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)的物理量是：勵(lì)磁電流原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩同步發(fā)電機(jī)功角特性2）凸極發(fā)電機(jī)的電磁功率

可以看到，凸極發(fā)電機(jī)功角特性公式的第一項(xiàng)與空載電動(dòng)勢(shì)成正比，它是勵(lì)磁電流在氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力所引起的，稱為勵(lì)磁電磁功率。

公式中的第二項(xiàng)，在隱極發(fā)電機(jī)中沒有，它與勵(lì)磁電流無關(guān)，是由于合成等效磁極吸引凸極鐵磁產(chǎn)生電磁力所引起的，稱為凸極電磁功率。最大電磁功率發(fā)生在小于的地方

對(duì)于凸極發(fā)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子不加勵(lì)磁電流，E0=0時(shí)仍有附加電磁功率產(chǎn)生，這又是為什么呢？此功率主要由于交、直軸的磁阻互不相等而引起，故稱為磁阻功率。2、調(diào)節(jié)有功功率時(shí)發(fā)電機(jī)

輸出無功功率的變化當(dāng)勵(lì)磁電流恒定調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出有功功率時(shí)，發(fā)電機(jī)的無功率也會(huì)改變。發(fā)電機(jī)輸出有功功率減小時(shí)，無功率增大。3、同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定

所謂同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定問題指，若干個(gè)發(fā)電廠或發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)，在正常負(fù)載調(diào)配和不正常事故中，這些電機(jī)能否還能保持同步運(yùn)行的問題，同步電機(jī)的穩(wěn)定問題又分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定兩種。所謂靜態(tài)穩(wěn)定是指：發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率恒定，勵(lì)磁恒定，輸入和輸出功率也不變。如果出現(xiàn)干擾，干擾除去后，發(fā)電機(jī)是否能恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

所謂動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指：發(fā)電機(jī)突加負(fù)載或切除負(fù)載運(yùn)行時(shí)，或在發(fā)生突然短路，電壓突變，發(fā)電機(jī)失磁等非正常運(yùn)行中，以及參數(shù)變化時(shí)，電機(jī)是否還能保持同步運(yùn)行的問題。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩角度特性假如微小的干擾使微小的干擾去掉后發(fā)電機(jī)的運(yùn)行是穩(wěn)定的假如微小的干擾使發(fā)電機(jī)不能平衡穩(wěn)定地運(yùn)行理論上，在同步發(fā)電機(jī)功角特性中是同步發(fā)電機(jī)有功功率的調(diào)節(jié)范圍。290頁(yè)在隱極發(fā)電機(jī)中額定運(yùn)行點(diǎn)一般設(shè)計(jì)在在凸極發(fā)電機(jī)中額定運(yùn)行點(diǎn)一般設(shè)計(jì)在當(dāng)=1800以后，電磁功率變?yōu)樨?fù)值，意味著電機(jī)向電網(wǎng)輸出負(fù)功率，即電網(wǎng)向電機(jī)輸入正功率變成同步電動(dòng)機(jī)。這將使電機(jī)產(chǎn)生更大的加速度，角將迅速?zèng)_過3600重新進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)。當(dāng)角第二次來到A點(diǎn)處，雖然再次出現(xiàn)功率平衡，但因前面累積的加速，已使轉(zhuǎn)子當(dāng)時(shí)的速度顯著高于同步轉(zhuǎn)速。所以角還要增大，又會(huì)沖到C點(diǎn)。在AC的減速過程肯定不足以使原來的高轉(zhuǎn)速降到同步轉(zhuǎn)速。所以還要增大，最后電機(jī)轉(zhuǎn)速愈來愈快，只能由機(jī)組的過渡保護(hù)裝置發(fā)生動(dòng)作把原動(dòng)機(jī)停調(diào)。這個(gè)過程叫發(fā)電機(jī)失去同步。15-5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線

以隱極電機(jī)為例，并略去電樞電阻和飽和影響，而電網(wǎng)則看作是“無窮大電網(wǎng)”，于是電壓U和頻率f都不受負(fù)載變化或其它擾動(dòng)的影響而保持為常值。并入此無窮大電網(wǎng)的任一同步發(fā)電機(jī)，其頻率和端電壓也將受到電網(wǎng)的約束而與電網(wǎng)相一致，這是并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)。忽略電樞電阻和磁飽和影響的隱極同步電機(jī)為例，說明在原動(dòng)機(jī)輸入有功功率P1保持不變的情況下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If時(shí)，其無功功率將怎樣改變。由功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵(lì)磁前后，發(fā)電機(jī)的電磁功率PM和輸出功率：常數(shù)由于電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)的同步電抗均為常數(shù)，故得：常數(shù)常數(shù)DCAB由于：常數(shù)末端的變化軌跡為垂直線CD。當(dāng)U=常數(shù)和P2=常數(shù)時(shí)不同勵(lì)磁電流時(shí)的同步發(fā)電機(jī)相量圖第一種情況：勵(lì)磁電流較大，E01值較高，I1滯后于U1，輸出無功功率，這時(shí)發(fā)電機(jī)稱為運(yùn)行在過勵(lì)狀態(tài)。第二種情況：I1和U1同相，定子電流因不含無功功分量而數(shù)值得最小，這時(shí)的勵(lì)磁電流較小，稱作正常勵(lì)磁。第三種情況：如果繼續(xù)減小勵(lì)磁電流，則定子電流又將變大而且超前于電壓U，發(fā)電機(jī)開始向電網(wǎng)輸出超前的無功功率，發(fā)電機(jī)處在“欠勵(lì)”狀態(tài)。第四種情況：如果進(jìn)一步減小勵(lì)磁電流，使E0更加減小，功率角和超前的功率因數(shù)角也將繼續(xù)增大使定子電流更大，但這種變化是有限度的，當(dāng)=900已達(dá)靜穩(wěn)定極限。

在第四種情況后，如果還要減小勵(lì)磁電流將無法供給所需的有功功率，電機(jī)將失去同步而不能運(yùn)行。

當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率不變時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁電流等于“正