新聞主題	隱極與凸極發(fā)電機的同步電抗

 

摘要： 發(fā)電機同步電抗是表征對稱(chēng)穩態(tài)運行時(shí)電樞旋轉磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng)的一個(gè)綜合參數，是對稱(chēng)電樞電流所產(chǎn)生的全部磁通在某一相中所感應的總電勢（E_σ+E_a）與相電流之間的比例常數。在不計飽和時(shí)，它是一個(gè)常值。常用標么值表示，以每相額定電壓為電壓的基值，以相額定電流為電流基值，以這兩基值的比值為阻抗的基值。隱極同步發(fā)電機的同步電抗標么值在0.9~3.5之間；凸極式同步電機的直軸同步電抗在0.6~1.6之間，交軸同步電抗在0.4~1.0之間。

 

一、隱極發(fā)電機的同步電抗

      在電力系統中，發(fā)電機是電能轉換的核心設備。為確保電力系統的穩定運行，需要確保發(fā)電機的輸出電壓始終與電網(wǎng)的電壓保持同步。同步電抗是發(fā)電機保持同步的重要特性參數之一。同步電抗是指在特定條件下，發(fā)電機輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的虛功率。它是發(fā)電機內部電磁參量與穩態(tài)電力系統之間的交流電學(xué)特性參數。同步電抗的大小取決于發(fā)電機的勵磁系統、轉子結構以及輸出功率等因素。

1、隱極同步電機的定義

      隱極轉子外表呈圓柱形，在圓柱表面開(kāi)槽以安放直流勵磁繞組，并用金屬槽楔固緊，使電機具有均勻的氣隙。由于高速旋轉時(shí)巨大的離心力，要求轉子有很高的機械強度。隱極式轉子一般由高強度合金鋼整塊鍛成，槽形一般為開(kāi)口形，以便安裝勵磁繞組。

2、狀態(tài)區別

      隱極同步電機的結構特點(diǎn)是氣隙均勻，下面分別對不考慮飽和和考慮飽和兩種情況進(jìn)行討論。

（1）不考慮飽和時(shí)

      不考慮飽和時(shí)可認為主磁路為線(xiàn)性，可應用疊加原理，認為f₁和a各自單獨產(chǎn)生磁通Φ和Φ_a，并在定子繞組中感應出勵磁電動(dòng)勢E和電樞反應電動(dòng)勢E_a，再把Φ和Φ_a相量相加得出合成氣隙磁通Φ_δ，同理將E和Ea相量相加得出合成電動(dòng)勢E_δ，稱(chēng)為氣隙電動(dòng)勢。此外電樞電流所生漏磁場(chǎng)還將產(chǎn)生每相漏磁通Φ_σ和每相的漏電動(dòng)勢E_σ。電樞繞組任一相電動(dòng)勢平衡方程為：

∑E=E+E_a+E_σ=E_δ+E_σ=U+IRa

式中：U為電樞一相繞組的端電壓，IRa為電阻壓降。

（2）考慮飽和時(shí)

      實(shí)際的同步電機都在一定飽和程度下運行。這時(shí)磁路是非線(xiàn)性的，疊加原理不再適用，應當先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢，然后利用電機的磁化曲線(xiàn)（空載特性曲線(xiàn)）求出負載時(shí)的氣隙磁通及相應的合成電動(dòng)勢E_δ。此時(shí)氣隙中合成磁動(dòng)勢的基波分量(簡(jiǎn)稱(chēng)氣隙磁動(dòng)勢)δ為

δ=f₁+a

      而電樞某一相的電動(dòng)勢方程為

E_δ=U+I(Ra+jX_σ)

3、電抗計算公式

      電樞反應磁場(chǎng)在定子每相繞組中所感應的電樞反應電勢Ea，可以把它看作相電流所產(chǎn)生的一個(gè)電抗電壓降這個(gè)電抗便是電樞僅應電抗X_a。即E_a=-jIX_a，進(jìn)一步再把X_a與漏磁X_a合并為一個(gè)電抗X_s=X_a+X_σ，這個(gè)X_s就稱(chēng)為同步電抗?？紤]定子的銅耗，則可寫(xiě)出同步阻抗Z_s=ra+jX_s的表示式。

      就物理意義而言，同步電抗包含兩部分一部分對應于定子繞組的漏磁通，另一部分對應于定子電流所產(chǎn)生的空氣隙旋轉磁場(chǎng)。在實(shí)際應用上，我們通常不把它們分開(kāi)，而把X_a+X_σ當作一個(gè)同步電抗來(lái)處理。其原因為：

（1）在計算同步電機的各種性能時(shí)，一般只需要應用同步電抗，無(wú)需把它的兩個(gè)組成部分分開(kāi)；

（2）在實(shí)際測量時(shí)，直接測定同步電抗要較分別測定X_a及X_σ更為方便。

      電樞反應電抗對應于通過(guò)空氣隙的互磁通，亦即對應于定子旋轉磁場(chǎng)，因此它的數值很大。顯然要大于和定子繞組漏磁通相應的定子漏抗。因為漏抗X數值甚小，所以同步電抗與電樞反應電抗在數值上相差不大。

      電樞反應磁場(chǎng)與轉子都以同步速同方向旋轉。定子磁場(chǎng)并不切割轉子繞組，同步電抗也就為定子方面的總電抗。雖然轉子繞組在電路方面不起副繞組的作用，但轉子鐵芯為旋轉磁場(chǎng)所經(jīng)磁路的一個(gè)組成部分，所以在磁路方面卻起著(zhù)重要作用。如把轉子抽去，則定了電流所遇到的電抗將不再是電樞反應電抗或同步電抗，而將接近于漏抗Xσ。

 

圖1 隱極同步發(fā)電機相量圖

圖2 隱極同步發(fā)電機等效電路圖

 

二、 凸極發(fā)電機的同步電抗

 

      對凸極同步發(fā)電機，因磁路并不是均勻的，所以電樞電流需要分解為直軸分量I_d和交軸分量I_q來(lái)分別討論。

1、交軸同步電抗X_q

      電樞反應的存在是實(shí)現能量傳遞的關(guān)鍵，假如β=0，I與E0同相，根據左手定則，電磁力將構成反轉子方向的轉矩，此時(shí)的電流為有功電流I=I_q，I_q所產(chǎn)生的電磁轉矩與原動(dòng)轉矩相平衡。此時(shí)電樞反應在定子繞組中產(chǎn)生的電勢E_aq與I（或I_q）成正比，它們之間的比例常數為電樞反應交軸電抗X_aq，于是有E_aq=-jX_aqI_q?？紤]定子的漏磁，交軸同步電流X_q= X+X_aq。

2、直軸同步電抗Xd

     同理當β=90º，則得到直軸同步電抗X_d，直軸同步電抗X_d= X+X_ad。

      對凸極同步發(fā)電機而言，d軸的磁路和q軸的磁路是不相同的，而且磁勢所產(chǎn)生的磁密分布波也已不再是正弦波，我們這里討論的均為正弦基波參數的同步電抗，對隱極機而言?xún)蓚€(gè)軸向的磁路基本相同，因而電樞反應也就無(wú)需分解為直軸分量和交軸分量了，X_d=X_q，需用一個(gè)參數X_s= X +X_a來(lái)代表同步電抗就可以。

3、電抗參數的測量方法

      電樞反應電抗是分析永磁同步電機的一組重要參數，按照雙反應理論，負載運行時(shí)永磁同步電機直軸上有永磁體磁動(dòng)勢和直軸電樞反應磁動(dòng)勢兩個(gè)激磁源，交軸方向上有交軸電樞反應磁動(dòng)勢一個(gè)激磁源。由于交軸和直軸部分磁路是相互重合的，直軸方向的磁動(dòng)勢必然會(huì )影響交軸磁路的飽和程度，反之亦然。即使磁路不飽和，鐵芯仍有磁壓降，且主磁場(chǎng)對電樞反應產(chǎn)生較大的影響。因此，對永磁電機來(lái)說(shuō)，飽和的電樞反應電抗更具有實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值。

       例：如圖4所示，一臺凸極同步發(fā)電機的直軸和交軸同步電抗分別為X*d=1.0，X*q=0.6，電樞電阻略去不計。試計算在額定電壓、額定電流和額定功率因數cosφN＝0.8(滯后)時(shí)的勵磁電動(dòng)勢E*，并畫(huà)出相量圖。上標*表示為標么值。

 

圖3 凸極發(fā)電機曲線(xiàn)圖

圖4 凸極發(fā)電機電抗相量圖

 

      電抗參數的測量方法主要有3種：

① 直接負載法

      凸極式發(fā)電機帶純阻性負載時(shí)的相量圖。E₀為每相空載電動(dòng)勢；U 為每相輸出電壓；I為每相電流；R為每相電樞電阻；X_d為直軸同步電抗，X_q為交軸同步電抗；θ為功率角；I_d為直軸電流分量，I_q為交軸電流分量。

      當永磁同步電機負載運行時(shí)，測得空載反電勢E₀，電樞端電壓U，電流I和功率角θ，由相量圖可知，I_d＝Isinθ，Iq＝Icosθ。

② 直軸衰減法

      直流衰減法原理的推導是在假定直流電流衰減過(guò)程中發(fā)電機的參數保持不變基礎上的。實(shí)際上，在直流電流衰減過(guò)程中，發(fā)電機的飽和程度是不斷變化的，其電抗參數也是不斷變化的，這樣通過(guò)處理直流衰減曲線(xiàn)得不到正確的飽和參數值。為了考慮磁路飽和程度對電抗參數的影響，將直流衰減法進(jìn)行改進(jìn)、發(fā)展成小電流直流衰減法。該方法是使電樞繞組中決定磁路飽和程度的大直流電流保持不變，而在該電流的d或q軸分量中疊加一個(gè)幅值較小的直流衰減電流，通過(guò)對該小直流電流衰減曲線(xiàn)的辨識來(lái)確定飽和參數。

③ 電壓積分法

       電壓積分法測試發(fā)電機電抗參數的裝置，包括數字磁通計、無(wú)感電阻、整流橋、滑線(xiàn)變阻箱、空氣開(kāi)關(guān)、電流表。無(wú)感電阻組成網(wǎng)絡(luò )，其中每四個(gè)相等阻值的無(wú)感電阻組成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò )來(lái)作為一個(gè)測量檔，且測量檔的大小與無(wú)感電阻阻值相同，例如，四個(gè)0.1Ω無(wú)感電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò )作為0.1Ω測量檔。當被測發(fā)電機的定子電阻阻值不超過(guò)2.74Ω時(shí)，利用三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò )形成的測量檔(即0.1Ω檔、0.5Ω檔、2Ω檔)來(lái)測量，每檔內的電阻通過(guò)空氣開(kāi)關(guān)的不同方式組合(即S4、S3、S2、S1匹配)來(lái)實(shí)現。本裝置具有操作簡(jiǎn)單、測量精度高、測試范圍大，適應性強等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，考慮飽和及交叉飽和因素，將發(fā)電機與實(shí)際運行狀態(tài)很好地結合起來(lái)。

 

總結：

      同步電抗的大小受到發(fā)電機內部電磁參量、轉子結構、電力系統負荷和電網(wǎng)電壓等多種因素的影響。其中，發(fā)電機的勵磁系統是影響同步電抗的主要因素之一。當勵磁電流越大，同步電抗也就越大。此外，發(fā)電機轉子結構的復雜度和輸出功率也會(huì )對同步電抗產(chǎn)生影響。此外，負荷和電網(wǎng)電壓也會(huì )對同步電抗產(chǎn)生影響。當負荷增加時(shí)，同步電抗會(huì )降低；而當電網(wǎng)電壓下降時(shí)，同步電抗會(huì )增加。綜上所述，發(fā)電機同步電抗是電力系統中發(fā)電機保持同步的重要特性參數，其大小受到多種因素的影響。為確保電力系統穩定運行，需要對發(fā)電機的同步電抗進(jìn)行精確的測量和控制。

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