新聞主題	隱極與凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗

 

摘要： 發(fā)電機(jī)同步電抗是表征對稱穩(wěn)態(tài)運行時電樞旋轉(zhuǎn)磁場和電樞漏磁場的一個綜合參數(shù)，是對稱電樞電流所產(chǎn)生的全部磁通在某一相中所感應(yīng)的總電勢（E_σ+E_a）與相電流之間的比例常數(shù)。在不計飽和時，它是一個常值。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，以便安裝勵磁繞組。

2、狀態(tài)區(qū)別

      隱極同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點是氣隙均勻，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

      不考慮飽和時可認(rèn)為主磁路為線性，可應(yīng)用疊加原理，認(rèn)為f₁和a各自單獨產(chǎn)生磁通Φ和Φ_a，并在定子繞組中感應(yīng)出勵磁電動勢E和電樞反應(yīng)電動勢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勢E_δ，稱為氣隙電動勢。此外電樞電流所生漏磁場還將產(chǎn)生每相漏磁通Φ_σ和每相的漏電動勢E_σ。電樞繞組任一相電動勢平衡方程為：

∑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

      實際的同步電機(jī)都在一定飽和程度下運行。這時磁路是非線性的，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勢，然后利用電機(jī)的磁化曲線（空載特性曲線）求出負(fù)載時的氣隙磁通及相應(yīng)的合成電動勢E_δ。此時氣隙中合成磁動勢的基波分量(簡稱氣隙磁動勢)δ為

δ=f₁+a

      而電樞某一相的電動勢方程為

E_δ=U+I(Ra+jX_σ)

3、電抗計算公式

      電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢Ea，可以把它看作相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降這個電抗便是電樞僅應(yīng)電抗X_a。即E_a=-jIX_a，進(jìn)一步再把X_a與漏磁X_a合并為一個電抗X_s=X_a+X_σ，這個X_s就稱為同步電抗。考慮定子的銅耗，則可寫出同步阻抗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(yīng)于定子繞組的漏磁通，另一部分對應(yīng)于定子電流所產(chǎn)生的空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場。在實際應(yīng)用上，我們通常不把它們分開，而把X_a+X_σ當(dāng)作一個同步電抗來處理。其原因為：

（1）在計算同步電機(jī)的各種性能時，一般只需要應(yīng)用同步電抗，無需把它的兩個組成部分分開；

（2）在實際測量時，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(yīng)電抗對應(yīng)于通過空氣隙的互磁通，亦即對應(yīng)于定子旋轉(zhuǎn)磁場，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。因為漏抗X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)磁場與轉(zhuǎn)子都以同步速同方向旋轉(zhuǎn)。定子磁場并不切割轉(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)磁場所經(jīng)磁路的一個組成部分，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I_d和交軸分量I_q來分別討論。

1、交軸同步電抗X_q

      電樞反應(yīng)的存在是實現(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，此時的電流為有功電流I=I_q，I_q所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與原動轉(zhuǎn)矩相平衡。此時電樞反應(yīng)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(shù)為電樞反應(yīng)交軸電抗X_aq，于是有E_aq=-jX_aqI_q。考慮定子的漏磁，交軸同步電流X_q= X+X_aq。

2、直軸同步電抗Xd

     同理當(dāng)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(jī)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(shù)的同步電抗，對隱極機(jī)而言兩個軸向的磁路基本相同，因而電樞反應(yīng)也就無需分解為直軸分量和交軸分量了，X_d=X_q，需用一個參數(shù)X_s= X +X_a來代表同步電抗就可以。

3、電抗參數(shù)的測量方法

      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)載運行時永磁同步電機(jī)直軸上有永磁體磁動勢和直軸電樞反應(yīng)磁動勢兩個激磁源，交軸方向上有交軸電樞反應(yīng)磁動勢一個激磁源。由于交軸和直軸部分磁路是相互重合的，直軸方向的磁動勢必然會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，且主磁場對電樞反應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。因此，對永磁電機(jī)來說，飽和的電樞反應(yīng)電抗更具有實際意義和實用價值。

       例：如圖4所示，一臺凸極同步發(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。試計算在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)cosφN＝0.8(滯后)時的勵磁電動勢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)載時的相量圖。E₀為每相空載電動勢；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(dāng)永磁同步電機(jī)負(fù)載運行時，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(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軸分量中疊加一個幅值較小的直流衰減電流，通過對該小直流電流衰減曲線的辨識來確定飽和參數(shù)。

③ 電壓積分法

       電壓積分法測試發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)的裝置，包括數(shù)字磁通計、無感電阻、整流橋、滑線變阻箱、空氣開關(guān)、電流表。無感電阻組成網(wǎng)絡(luò)，其中每四個相等阻值的無感電阻組成一個電阻網(wǎng)絡(luò)來作為一個測量檔，且測量檔的大小與無感電阻阻值相同，例如，四個0.1Ω無感電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)作為0.1Ω測量檔。當(dāng)被測發(fā)電機(jī)的定子電阻阻值不超過2.74Ω時，利用三個電阻網(wǎng)絡(luò)形成的測量檔(即0.1Ω檔、0.5Ω檔、2Ω檔)來測量，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)來實現(xiàn)。本裝置具有操作簡單、測量精度高、測試范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。同時，考慮飽和及交叉飽和因素，將發(fā)電機(jī)與實際運行狀態(tài)很好地結(jié)合起來。

 

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)的勵磁系統(tǒng)是影響同步電抗的主要因素之一。當(dāng)勵磁電流越大，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對同步電抗產(chǎn)生影響。此外，負(fù)荷和電網(wǎng)電壓也會對同步電抗產(chǎn)生影響。當(dāng)負(fù)荷增加時，同步電抗會降低；而當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時，同步電抗會增加。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)定運行，需要對發(fā)電機(jī)的同步電抗進(jìn)行精確的測量和控制。

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