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隱極與凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗 |
摘要: 發(fā)電機(jī)同步電抗是表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng)的一個(gè)綜合參數(shù),是對(duì)稱電樞電流所產(chǎn)生的全部磁通在某一相中所感應(yīng)的總電勢(shì)(Eσ+Ea)與相電流之間的比例常數(shù)。在不計(jì)飽和時(shí),它是一個(gè)常值。常用標(biāo)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(jī)的同步電抗標(biāo)么值在0.9~3.5之間;凸極式同步電機(jī)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(jī)的同步電抗
在電力系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)是電能轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備。為確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要確保發(fā)電機(jī)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(jī)保持同步的重要特性參數(shù)之一。同步電抗是指在特定條件下,發(fā)電機(jī)輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的虛功率。它是發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁參量與穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)之間的交流電學(xué)特性參數(shù)。同步電抗的大小取決于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及輸出功率等因素。
1、隱極同步電機(jī)的定義
隱極轉(zhuǎn)子外表呈圓柱形,在圓柱表面開槽以安放直流勵(lì)磁繞組,并用金屬槽楔固緊,使電機(jī)具有均勻的氣隙。由于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)巨大的離心力,要求轉(zhuǎn)子有很高的機(jī)械強(qiáng)度。隱極式轉(zhuǎn)子一般由高強(qiáng)度合金鋼整塊鍛成,槽形一般為開口形,以便安裝勵(lì)磁繞組。
2、狀態(tài)區(qū)別
隱極同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氣隙均勻,下面分別對(duì)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(rèn)為主磁路為線性,可應(yīng)用疊加原理,認(rèn)為f1和a各自單獨(dú)產(chǎn)生磁通Φ和Φa,并在定子繞組中感應(yīng)出勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea,再把Φ和Φa相量相加得出合成氣隙磁通Φδ,同理將E和Ea相量相加得出合成電動(dòng)勢(shì)Eδ,稱為氣隙電動(dòng)勢(shì)。此外電樞電流所生漏磁場(chǎng)還將產(chǎn)生每相漏磁通Φσ和每相的漏電動(dòng)勢(shì)Eσ。電樞繞組任一相電動(dòng)勢(shì)平衡方程為:
∑E=E+Ea+Eσ=Eδ+Eσ=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(jī)都在一定飽和程度下運(yùn)行。這時(shí)磁路是非線性的,疊加原理不再適用,應(yīng)當(dāng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢(shì),然后利用電機(jī)的磁化曲線(空載特性曲線)求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通及相應(yīng)的合成電動(dòng)勢(shì)Eδ。此時(shí)氣隙中合成磁動(dòng)勢(shì)的基波分量(簡(jiǎn)稱氣隙磁動(dòng)勢(shì))δ為
δ=f1+a
而電樞某一相的電動(dòng)勢(shì)方程為
Eδ=U+I(Ra+jXσ)
3、電抗計(jì)算公式
電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢(shì)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(yīng)電抗Xa。即Ea=-jIXa,進(jìn)一步再把Xa與漏磁Xa合并為一個(gè)電抗Xs=Xa+Xσ,這個(gè)Xs就稱為同步電抗??紤]定子的銅耗,則可寫出同步阻抗Zs=ra+jXs的表示式。
就物理意義而言,同步電抗包含兩部分一部分對(duì)應(yīng)于定子繞組的漏磁通,另一部分對(duì)應(yīng)于定子電流所產(chǎn)生的空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用上,我們通常不把它們分開,而把Xa+Xσ當(dāng)作一個(gè)同步電抗來(lái)處理。其原因?yàn)椋?/span>
(1)在計(jì)算同步電機(jī)的各種性能時(shí),一般只需要應(yīng)用同步電抗,無(wú)需把它的兩個(gè)組成部分分開;
(2)在實(shí)際測(cè)量時(shí),直接測(cè)定同步電抗要較分別測(cè)定Xa及Xσ更為方便。
電樞反應(yīng)電抗對(duì)應(yīng)于通過空氣隙的互磁通,亦即對(duì)應(yīng)于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),因此它的數(shù)值很大。顯然要大于和定子繞組漏磁通相應(yīng)的定子漏抗。因?yàn)槁┛筙數(shù)值甚小,所以同步電抗與電樞反應(yīng)電抗在數(shù)值上相差不大。
電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子都以同步速同方向旋轉(zhuǎn)。定子磁場(chǎng)并不切割轉(zhuǎn)子繞組,同步電抗也就為定子方面的總電抗。雖然轉(zhuǎn)子繞組在電路方面不起副繞組的作用,但轉(zhuǎn)子鐵芯為旋轉(zhuǎn)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重要作用。如把轉(zhuǎn)子抽去,則定了電流所遇到的電抗將不再是電樞反應(yīng)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(jī)相量圖 |
圖2 隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路圖 |
二、 凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗
對(duì)凸極同步發(fā)電機(jī),因磁路并不是均勻的,所以電樞電流需要分解為直軸分量Id和交軸分量Iq來(lái)分別討論。
1、交軸同步電抗Xq
電樞反應(yīng)的存在是實(shí)現(xiàn)能量傳遞的關(guān)鍵,假如β=0,I與E0同相,根據(jù)左手定則,電磁力將構(gòu)成反轉(zhuǎn)子方向的轉(zhuǎn)矩,此時(shí)的電流為有功電流I=Iq,Iq所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡。此時(shí)電樞反應(yīng)在定子繞組中產(chǎn)生的電勢(shì)Eaq與I(或Iq)成正比,它們之間的比例常數(shù)為電樞反應(yīng)交軸電抗Xaq,于是有Eaq=-jXaqIq??紤]定子的漏磁,交軸同步電流Xq= X+Xaq。
2、直軸同步電抗Xd
同理當(dāng)β=90º,則得到直軸同步電抗Xd,直軸同步電抗Xd= X+Xad。
對(duì)凸極同步發(fā)電機(jī)而言,d軸的磁路和q軸的磁路是不相同的,而且磁勢(shì)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(shù)的同步電抗,對(duì)隱極機(jī)而言兩個(gè)軸向的磁路基本相同,因而電樞反應(yīng)也就無(wú)需分解為直軸分量和交軸分量了,Xd=Xq,需用一個(gè)參數(shù)Xs= X +Xa來(lái)代表同步電抗就可以。
3、電抗參數(shù)的測(cè)量方法
電樞反應(yīng)電抗是分析永磁同步電機(jī)的一組重要參數(shù),按照雙反應(yīng)理論,負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁同步電機(jī)直軸上有永磁體磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)兩個(gè)激磁源,交軸方向上有交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)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(shì)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(duì)電樞反應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。因此,對(duì)永磁電機(jī)來(lái)說(shuō),飽和的電樞反應(yīng)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(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)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(jì)。試計(jì)算在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)cosφN=0.8(滯后)時(shí)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E*,并畫出相量圖。上標(biāo)*表示為標(biāo)么值。
圖3 凸極發(fā)電機(jī)曲線圖 |
圖4 凸極發(fā)電機(jī)電抗相量圖 |
電抗參數(shù)的測(cè)量方法主要有3種:
① 直接負(fù)載法
凸極式發(fā)電機(jī)帶純阻性負(fù)載時(shí)的相量圖。E0為每相空載電動(dòng)勢(shì);U 為每相輸出電壓;I為每相電流;R為每相電樞電阻;Xd為直軸同步電抗,Xq為交軸同步電抗;θ為功率角;Id為直軸電流分量,Iq為交軸電流分量。
當(dāng)永磁同步電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí),測(cè)得空載反電勢(shì)E0,電樞端電壓U,電流I和功率角θ,由相量圖可知,Id=Isinθ,Iq=Icosθ。
② 直軸衰減法
直流衰減法原理的推導(dǎo)是在假定直流電流衰減過程中發(fā)電機(jī)的參數(shù)保持不變基礎(chǔ)上的。實(shí)際上,在直流電流衰減過程中,發(fā)電機(jī)的飽和程度是不斷變化的,其電抗參數(shù)也是不斷變化的,這樣通過處理直流衰減曲線得不到正確的飽和參數(shù)值。為了考慮磁路飽和程度對(duì)電抗參數(shù)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,通過對(duì)該小直流電流衰減曲線的辨識(shí)來(lái)確定飽和參數(shù)。
③ 電壓積分法
電壓積分法測(cè)試發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)的裝置,包括數(shù)字磁通計(jì)、無(wú)感電阻、整流橋、滑線變阻箱、空氣開關(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(cè)量檔,且測(cè)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(cè)量檔。當(dāng)被測(cè)發(fā)電機(jī)的定子電阻阻值不超過2.74Ω時(shí),利用三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)形成的測(cè)量檔(即0.1Ω檔、0.5Ω檔、2Ω檔)來(lái)測(cè)量,每檔內(nèi)的電阻通過空氣開關(guān)的不同方式組合(即S4、S3、S2、S1匹配)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本裝置具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)試范圍大,適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),考慮飽和及交叉飽和因素,將發(fā)電機(jī)與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)很好地結(jié)合起來(lái)。
總結(jié):
同步電抗的大小受到發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁參量、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電力系統(tǒng)負(fù)荷和電網(wǎng)電壓等多種因素的影響。其中,發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)是影響同步電抗的主要因素之一。當(dāng)勵(lì)磁電流越大,同步電抗也就越大。此外,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和輸出功率也會(huì)對(duì)同步電抗產(chǎn)生影響。此外,負(fù)荷和電網(wǎng)電壓也會(huì)對(duì)同步電抗產(chǎn)生影響。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),同步電抗會(huì)降低;而當(dāng)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(jī)同步電抗是電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)保持同步的重要特性參數(shù),其大小受到多種因素的影響。為確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,需要對(duì)發(fā)電機(jī)的同步電抗進(jìn)行精確的測(cè)量和控制。
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