同步發(fā)電機(jī)的模型、關(guān)系及其應(yīng)用

程小華

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640)

0 引言

同步發(fā)電機(jī)內(nèi)容較多，當(dāng)前比較流行的電機(jī)學(xué)文獻(xiàn)[1～12]在組織這些內(nèi)容時(shí)，存在一個(gè)普遍的問(wèn)題，那就是，缺乏一條一以貫之的主線(xiàn)。電機(jī)學(xué)文獻(xiàn)在組織同步發(fā)電機(jī)內(nèi)容時(shí)，分為兩種類(lèi)型：(1)分章型；(2)分節(jié)型。分章型的文獻(xiàn)有[1]、[2]、[4]、[5]、[7]、[8]、[9]、[10]、[12](文獻(xiàn)[2]、[5]形式上是分節(jié)，但實(shí)質(zhì)上是分章，故也列在分章型)，分節(jié)型的文獻(xiàn)有[3]、[6]、[11]。分章型一般把同步發(fā)電機(jī)內(nèi)容分為概述、原理、特性、并網(wǎng)四章(如文獻(xiàn)[1]、[2]、[4]、[12])，或分為概述、原理、并網(wǎng)三章(如文獻(xiàn)[5]、[7]、[8]、[9]、[10])，特性被作為原理的一節(jié)或幾節(jié)。分節(jié)型則把同步發(fā)電機(jī)內(nèi)容按節(jié)的方式一一敘述。分章型文獻(xiàn)對(duì)同步發(fā)電機(jī)內(nèi)容進(jìn)行了一定的歸納，但卻沒(méi)有說(shuō)明歸納的依據(jù)。分節(jié)型文獻(xiàn)則連這一層歸納都沒(méi)有，純粹是內(nèi)容的堆砌。無(wú)論分章型，還是分節(jié)型，都存在內(nèi)容凌亂、堆砌的缺點(diǎn)。

譬如，同樣是功角特性，有的文獻(xiàn)(如文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12])放在并網(wǎng)運(yùn)行中講述，有的文獻(xiàn)(如文獻(xiàn)[6])則不放在并網(wǎng)運(yùn)行中講述。又如，同步發(fā)電機(jī)的空載特性、短路特性、零功因負(fù)載特性、外特性、調(diào)整特性等五個(gè)特性，文獻(xiàn)[3]、[4]、[6]把它們區(qū)分為兩類(lèi)：基本特性(空載特性、短路特性、零功因負(fù)載特性)、運(yùn)行特性(外特性、調(diào)整特性)；文獻(xiàn)[2]、[5]、[7]、[9]、[10]、[11]、[12]不加區(qū)分，把它們統(tǒng)統(tǒng)地稱(chēng)為運(yùn)行特性；文獻(xiàn)[8]也不加區(qū)分，但把它們統(tǒng)統(tǒng)地稱(chēng)為基本特性；文獻(xiàn)[1]把它們既稱(chēng)為基本特性，又稱(chēng)為運(yùn)行特性。這些文獻(xiàn)一共有四種處理方式，但都顯得特別混亂。而且，所有的處理方式都沒(méi)有給出自己的依據(jù)，什么叫運(yùn)行特性？什么叫基本特性？都沒(méi)有給出定義，而要靠讀者自己去揣摩、體悟。以其昏昏使人昭昭，只能使讀者莫名其妙，徒增電機(jī)學(xué)難度。諸如此類(lèi)，不一而足。

為了克服這些缺點(diǎn)，本文提出同步發(fā)電機(jī)的三口模型：電樞口、磁場(chǎng)口、機(jī)軸口；進(jìn)而提出五類(lèi)關(guān)系：樞樞關(guān)系、樞場(chǎng)關(guān)系、場(chǎng)樞關(guān)系、軸樞關(guān)系、樞角關(guān)系；最后給出這些關(guān)系在并網(wǎng)運(yùn)行中的應(yīng)用。

上述五類(lèi)關(guān)系涵蓋了同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖、等效電路、各種特性和V形曲線(xiàn)。這五類(lèi)關(guān)系都是基于三口模型?？梢?jiàn)，通過(guò)基于三口模型的五類(lèi)關(guān)系這條主線(xiàn)，即可把同步發(fā)電機(jī)的主要內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)。

為簡(jiǎn)明扼要，本文多處使用簡(jiǎn)稱(chēng)。電樞簡(jiǎn)為樞，勵(lì)磁磁場(chǎng)簡(jiǎn)為場(chǎng)，機(jī)械軸簡(jiǎn)為軸。為節(jié)省篇幅，所用符號(hào)的意義不會(huì)引起誤會(huì)時(shí)不給出說(shuō)明。本文以隱極發(fā)電機(jī)為例，凸極發(fā)電機(jī)稍作修改即可類(lèi)推。所有圖形，包括相量圖、等效電路圖、特性圖和V形曲線(xiàn)等，均可參見(jiàn)文末所附任一文獻(xiàn)，本文從略。

1 同步發(fā)電機(jī)的三口模型

如果把同步發(fā)電機(jī)看做一個(gè)系統(tǒng)，那么，它與環(huán)境有三個(gè)接口：電樞接口(簡(jiǎn)稱(chēng)樞口)，勵(lì)磁磁場(chǎng)接口(簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)口)，機(jī)械軸接口(簡(jiǎn)稱(chēng)軸口)。同步發(fā)電機(jī)的三口模型如圖1、圖2所示。

圖1 不計(jì)飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)的三口模型

圖2 計(jì)及飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)的三口模型

2 同步發(fā)電機(jī)的五類(lèi)關(guān)系

同步發(fā)電機(jī)各變量之間存在多種函數(shù)關(guān)系，根據(jù)變量所屬接口，可將這些關(guān)系分為五類(lèi)：(1)樞樞關(guān)系；(2)樞場(chǎng)關(guān)系；(3)場(chǎng)樞關(guān)系；(4)軸樞關(guān)系；(5)樞角關(guān)系。

2.1 同步發(fā)電機(jī)的樞樞關(guān)系

同步發(fā)電機(jī)樞樞關(guān)系是指電樞電壓和電樞電流之間的關(guān)系，具體包括電壓方程、外特性。

隱極機(jī)不計(jì)飽和時(shí)的電壓方程如式(1)所示。隱極機(jī)計(jì)及飽和時(shí)的電壓方程如式(2)所示。

(1)

(2)

隱極機(jī)的電壓方程可以圖形化為等效電路和相量圖。

2.2 同步發(fā)電機(jī)的樞場(chǎng)關(guān)系

同步發(fā)電機(jī)的樞場(chǎng)關(guān)系是指電樞電壓、電樞電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，具體包括：空載特性、零功因負(fù)載特性、短路特性、V形曲線(xiàn)。

2.3 同步發(fā)電機(jī)的場(chǎng)樞關(guān)系

同步發(fā)電機(jī)的場(chǎng)樞關(guān)系是指勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系，具體包括：調(diào)整特性。

2.4 同步發(fā)電機(jī)的軸樞關(guān)系

同步發(fā)電機(jī)的軸樞關(guān)系是指軸口物理量與樞口物理量之間的關(guān)系，具體包括：功率平衡方程、轉(zhuǎn)矩平衡方程，分別如式(3)、式(4)所示。

P1-PFe-PΩ-PΔ=Pe

(3)

T1-T0=Te

(4)

2.5 同步發(fā)電機(jī)的樞角關(guān)系

同步發(fā)電機(jī)的樞角關(guān)系是指樞口電磁功率與三個(gè)角(功率角、內(nèi)功因角、功因角)之間的關(guān)系，如式(5)、式(6)、式(7)所示，其中電磁功率與功率角之間的關(guān)系就是功角特性。

(5)

Pe=3E0Icosψ0

(6)

Pe≈P2=3UIcosφ

(7)

3 同步發(fā)電機(jī)模型和關(guān)系的應(yīng)用

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，我們關(guān)注的是有功功率的調(diào)節(jié)(簡(jiǎn)稱(chēng)有功調(diào)節(jié))、靜態(tài)穩(wěn)定、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)(簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)功調(diào)節(jié))。

有功調(diào)節(jié)可以通過(guò)軸樞關(guān)系中的功率平衡方程得到說(shuō)明。那就是，要增加發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)輸出的有功功率，必須增加軸上的輸入功率。

靜態(tài)穩(wěn)定可以通過(guò)樞角關(guān)系中的功角特性得到說(shuō)明。

無(wú)功調(diào)節(jié)可以通過(guò)樞場(chǎng)關(guān)系中V形曲線(xiàn)得到說(shuō)明。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 本文提出了同步發(fā)電機(jī)的三口模型。

4.2 基于三口模型，本文提出了同步發(fā)電機(jī)的五類(lèi)關(guān)系。

4.3 基于三口模型的五類(lèi)關(guān)系就是同步發(fā)電機(jī)理論的一條主線(xiàn)。該主線(xiàn)好比一個(gè)綱，同步發(fā)電機(jī)的知識(shí)點(diǎn)好比目，綱舉目張。

4.4 引入上述主線(xiàn)后，同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行不過(guò)是基于同步發(fā)電機(jī)三口模型之五類(lèi)關(guān)系的一個(gè)應(yīng)用。