基于矢量空间最小励磁电流的电机节能研究--《中国电机工程学报》2006年01期
基于矢量空间最小励磁电流的电机节能研究
【摘要】：文中提出一种基于矢量空间的最小励磁电流的变频调速系统节能控制方案;对异步电动机矢量控制系统取得定子电流最小值的原理进行了证明;针对异步电机轻载运行进行基于矢量空间的最小励磁电流法仿真实验。理论分析与仿真实验表明,该节能控制方案不增加系统硬件成本,根据电动机的负载状态对励磁电流进行调节,使定子电流达到最小值,从而达到节能的目的。当负载率为14%时,节能率可达9%。实验结果表明本文控制方案不仅能使中小功率异步电动机轻载运行时节能,还使其电磁转矩振荡减小。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TM921.5【正文快照】：
1引言1971年德国人F.Blaschke提出异步电动机矢量控制技术[1-2]。该技术通过电机统一理论和坐标变换原理,把交流异步电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的励磁电流分量im1和与之相垂直的转矩电流分量it1,实现了磁链和电磁转矩的解耦控制[3-4]。近二十年来异步电动机矢量控制
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发电机的正常运行
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发电机的正常运转[整理版]
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3秒自动关闭窗口600MW汽轮发电机原理及运行10
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600MW汽轮发电机原理及运行10
上述分析说明，发电机与系统并联运行时受到突然的急剧的扰动之后，能过渡到新的稳定状态继续运行。可是，过渡过程也可能有另一种结局。如果在上述运行状态变化的过程中，角振荡的第一个周期内，相对速度v未达到零值以前，δ的最大值已经等于或超过临界角δe，即运行状态越过e点，发电机转矩又小于原动机转矩，即出现加速性质的过剩转矩，那么发电机就不可能过渡到新的稳定运行状态，相对速度将不断增大，最后导致发电机失去同步。
系统受到较大扰动后，能否重新过渡到新的稳定状态下运行，可简单地用面积定则来确定。如果加速面积Sabc小于最大可能的减速面积Scdf，则发电机就能过渡到新的工作点稳定运行，反之，如果加速面积Sabc大于最大可能的减速面积Scdf，则不能保证发电机暂态稳定。因此，保证发电机暂态稳定的充分必要条件是Sabc&Scdf，即加速面积小于减速面积。
暂态稳定的程度不但受电气量U、E、Xd、Xs的影响，同时也受转子惯性的影响，即转子的转动惯量的影响。汽轮发电机制造厂都在技术条件中提供整个轴系的转动惯量，这是一个很重要的参数。
短路故障是破坏系统稳定的主要原因。发生短路故障时，会引起系统电压及发电机端电
压降低，而且短路电流是电感性的，它对发电机产生去磁作用，使发电机电势降低，从而也降低功率极限，可能使发电机失去稳定。如果发生故障使端电压迅速降低时，立即增大发电机的励磁电流，提高其电势将有利于保持系统运行的稳定性。这是提高系统暂态稳定的措施之一。
提高系统运行稳定性的措施有：
a. 改善励磁系统的特性。
b. 采用强励功能。
c. 提高保护动作的快速性，采用自动重合闸装置。
d. 汽机调速系统采用调门快关技术，保证故障后第一个周期内减弱功角的摆动。
4.3 同步发电机的工作状态与无功功率调节的关系
在电网中，如果无功功率不足，就会导致整个电网的电压水平下降，这是不能允许的。因此同步发电机与电网并列后，不但要向电网输送有功功率，而且还要向电网输送无功功率。当发电机与无穷大容量电网并列运行时，假定有功功率输出不变，只要调节励磁电流就可达到调节无功功率目的。
调节励磁电流时，发电机电势Eq将按其空载特性相应的变化。因此，要研究发电机工作状态与励磁电流if的变化关系，可转为研究发电机工作状态与发电机电势Eq的关系。
根据电压向量图可得发电机的有功功率和无功功率的方程式，即:&
⑴　发电机空载
当发电机输出为零时，调节励磁电流，发电机工作状态所发生的变化可直观地从向量图中看出。
空载向量图
P为常量时的电压向量图
如图4―9，（a）为励磁磁势F0等于合成磁势F的情况，定子电流I及电枢反应磁势Fa均为零。此时的励磁电流被称为空载正常的励磁电流(ifo)。加大励磁电流，励磁磁势F0相应增大，但因UG为常数，所以合成磁势F亦为恒定值，因此，F0增大后，将使定子绕组产生一个滞后于UG的电感性电流分量Ir，且I = Ir，该电流产生一个去磁的电枢反应磁势Fa以抵消F0的增量，达到维持磁势平衡，即Fa + F0 = F且为常数，如图（b所示，发电机发出电感性(+Q)，此时励磁电流称为过激的励磁电流(if)。反之，如果减小励磁电流，F0相应减小，则定子绕组中出现超前于UG的电容性电流分量Ir，且I = Ir，该电流产生助磁的电枢反应磁势Fa补偿F0的减小，使Fa + F0 = F维持不变，发电机发出电容性的无功功率（－Q），如图（c）所示，此时励磁电流称为欠激的励磁电流(if)。&
⑵　发电机有功功率为常量
由发电机的有功功率和无功功率方程式可以看出，当P和UG为常数，Xd不变时，励磁电流的变化将引起Eq、Q、δ等参数的变化。
图4―10示出4种不同励磁电流值时的相应各电气量。当励磁电流变化时，在P为常数的条件下，Eq的变化轨迹为平行于UG的 线段，相应的定子电流的变化轨迹为 线段。
在向量图中，电压降向量IXd在横轴和纵轴上的投影分别正比于发电机的有功功率和无功功率，在P为定值而励磁电流变化时，电抗压降IXd向量在横轴上的投影将保持线段A1B不变。所以Eq的变化轨迹是平行于UG且与UG距离为A1B的直线。线段BC正比于发电机的无功功率，它是随励磁电流的变化而变化的。
由向量图可以看出对应四种不同励磁电流下发电机的工作状态：
a. if = if2
相应的Eq=Eq2，这时定子电流I=I2=Ia，I2与UG之间的夹角φ1=φ2= 0，cosφ2=1，即定子电流仅有有功分量。所以Q2 = I2Xdsinφ2 = 0，无功功率输出为零。由于有功功率仍保持不变，此时定子电流呈现最小值。
b. if = if1>if2
此时发电机处于过激运行状态。Eq1 > Eq，φ1＞0且cosφ1＜1，定子电流I1＞I2，除有功分量Ia外，还出现一个滞后UG 90°的无功分量电流Ir1，发电机输出电感性的无功功率，通常规定为正值，即Q1＞0，δ1＜δ2。
c. if = if3&if2
发电机处于欠激运行状态。对应的Eq3&Eq2，cosφ3＜1，定子电流I3＞I2，除有功分量Ia外，还出现了一个超前UG 90°的无功分量电流Ir3，发电机向电网输出电容性的无功功率，所以Q3&0为负值，功率角δ3＞δ2 。
对应的Eq4与UG的夹角δ4 = 90°，发电机达到静稳定运行极限，如果 if 继续减小，δ>90°, 发电机进入不稳定运行区。
P恒定，励磁电流变化时
定子电流随励磁电流变化的V形曲线
Q、I、δ、cosφ的变化曲线
当励磁电流if连续变化时，发电机各电气参数的变化关系如图4―11，随着if(Eq)的变化，无功功率Q也在变化，所以调节励磁电流可以调节发电机的无功功率，随着if的减小，功角总是增大的，但是，当δ＞90°时，发电机静态稳定遭到破坏而失去同步。
以上讨论是以发电机输出有功功率P恒定为前提，当有功功率变化时，如P=P1、P2……，在图4―10中，Eq将有不同的变化轨迹，同时I = f ( Eq)曲线也将随P值的增大而发生位移，这就构成了图4―12所示的V形曲线。由该图可以看出:
a. 各条V形曲线的最低点，对应的cosφ值均为1，是仅输出有功功率的工作状态， 连
接各条V形曲线上的cosφ=l的点，便得出一条稍微向右倾斜的虚线，这说明当输
出为纯有功功率时，要想增大有功输出，必须相应地增大励磁电流。&
b. 同步发电机存在一个不稳定运行区，不稳定运行区的边缘就是各个P值曲线中δ = 90°点的连线。在向量图中Eq4已处于稳定边缘, δ4 = 90°，此时，如再减小励磁，则出现原动机功率Pm＞Pmax>Pe.max = ，剩余功率的出现使转子加速，失去同步。由图看出，当P越大时，维持稳定运行所需的励磁电流亦越大，也就是说，若输出有功功率P较大，而if较小时，极易进入不稳定运行区。所以在实际运行中，发电机在增大有功负荷时，其励磁电流也需相应增大，且必须大于所限制的最小励磁电流值。
c. V形曲线图中，发电机在cosφ=1曲线右面区域运行时，是过激状态，发电机输出电感性无功功率，发电机在cosφ=1曲线左面区域运行时，是欠激状态，发电机从电网吸收电感性无功功率。&
4.4 同步发电机的工作状态与有功功率调节的关系
同步发电机与无穷大容量电网并列运行时，当发电机输出有功功率P = 0时，原动机功率Pm等于空载损耗功率P0，当发电机要向电网输出有功功率时，就需加大原动机转矩，即开大汽机汽门，使转子加速，δ角增大，相应地在转子上产生制动的电磁转矩。当满足Pm= P0+Pe时，又进入新的稳定工作状态，转子仍维持同步转速。因此，调节原动机的功率Pm，就可以改变发电机输出的有功功率P。
现假设UG=常数，且if =常数时，分析有功功率与发电机工作状态的关系。
由发电机有功功率和无功功率方程式可知，当P变化时，δ、Q随之变化，从而I、cosφ也相应变化。图4―13示出该变化的关系。
-&600MW汽轮发电机原理及运行10-&
2010 版权所有联系电话(TEL)：021-(代表号)、472500 传真(FAX)：021- Email: 地址(Address)：上海市长阳路1室 邮编(PostZIP)：200082（二）发电机工作状态与有功调节的关系；1)发电机励磁电流为4A左右不变，调节有功从零到；表5改变有功功率发电机各量的变化；2)分析有功变化时无功功率的变化情况；图3有功及励磁调节向量图；如上图所示，当励磁电流不变时，电势Eq向量的长度；（三）分析思考题；1）有功为定值而改变励磁电流时，分析什么状态时定；答：由发电机V形曲线实验可知有功为定值时，改变励；2）原
（二）发电机工作状态与有功调节的关系
1)发电机励磁电流为4A左右不变，调节有功从零到4KW左右，记录P、Q、I、COSφ数值于表5；
改变有功功率发电机各量的变化
2)分析有功变化时无功功率的变化情况。 答：
图3 有功及励磁调节向量图
如上图所示，当励磁电流不变时，电势Eq向量的长度不变。若原动机的机械功率增大，定子绕组的输出功率增大到PG3，因电势向量Eq长度不变又须落在有功功率的虚线上，则功率角增大到?3，无功功率减小到QG3。而只调节无功时有功功率不变。
（三）分析思考题
1）有功为定值而改变励磁电流时，分析什么状态时定子电流最小。
答：由发电机V形曲线实验可知有功为定值时，改变励磁电流可得到一条完整的V形曲线，当功率因数为1时定子电流最小，此时发电机只有有功功率。
2）原动机不调节而调节励磁电流改变无功功率时，分析有功功率是否变化。 答：调节励磁只改变无功功率，有功功率理论上不会发生变化。调节原动机就是调节机械输入功率，而原动机不做调节，只调节励磁电流，使得空载电势发生变化，进而无功发生变化
3）励磁电流不调节而调节有功功率时，分析无功功率是否变化。
答：不调节励磁电流，而调节原动机不仅可以增大有功输出，而且无功也会发生改变。对于与电网并联运行的发电机，当该变原动机的输入功率时，由P=Pe=UEq*sinδ/Xd发电机的位移角δ将相应跟着改变，起着调节有功功率的作用，但此时如使励磁保持不变及Eq，由Q=UEq*cosδ/Xd-U2/Xd，输出的无功功率将会发生变化。 5）发电机在并网运行时，直流电动机励磁回路发生断线，有什么现象？
答 ：直流电动机因为失磁转速变慢，但是发电机还存在励磁电流，发电机从系统吸收有功功率带动转子转动，即有功变为负值，电动机励磁电流为0，电枢电流变大。此时应先解列，减速减磁，停机检修。
6）发电机在并网运行时，直流电动机电枢回路晶闸管因产生故障完全截止，有什么现
象？发电机是什么这行方式？如何处理？
答：原动机转速下降，发电机的功率、定子电流不断减小，从系统吸收功率，使发电机
变成电动机运行方式，此时使发电机和系统解列，然后停机检修。 7）发电机励磁绕组通过3KM常闭触点并接电阻Rm，它的作用是什么？
答：起到灭磁的作用，当发电机内部发生故障，继电保护将发电机从系统断开时，如果不消灭发电机的磁场，故障电流仍然存在，过大的短路电流将会烧毁绕组导致发电机长
时间不能回复运行。
发电机的特殊运行方式
（一）发电机的失磁运行
1)失磁运行实验：发电机并入系统后，调有功和无功为零,然后跳开灭磁开关3KM使发电机失磁，励磁电流应为零，观察发电机是否稳定。然后缓慢增加发电机有功，当发电机电流不断增大超过额定值时，说明发电机已失步，要立即减少有功或合上3KM将发电机拖回同步，如果仍然失步要跳开2KM将发电机解列，并将机组转速降至额定值以下，实验过程要记录各表计的指示，并记录凸极机维持同步的功率的最大值。
失磁时各表计的变化
2）发电机不并网而带孤立负荷（临时接上三只星形接法的200W的白炽灯）运行失磁，记录发电机各运行参数于表8，观察发电机的运行情况并分析。
孤立负荷时发电机的运行参数
（二）发电机的调相运行
1)发电机并网后将有功和无功功率调到3KW和2KVAR，记录各表计数值。
2) 降低电动机电枢电压，将发电机有功功率逐渐减少直至零，记录各表计数值。 3）继续降低电动机电枢电压，将发电机有功功率逐渐减少至负值，（相当于导水叶或主汽门全关），记录各表计数值。
4）发电机为电动机运行状态下，调节励磁电流，观察无功功率从迟相、零到进相，记
录各表计数值，分析发电机调相运行状态的持点。试验完后机组解列停机。
（三）发电机甩负荷
1)发电机并网后将有功1KW和无功功率调到0.75kvar，记录各表计数值。
2）将发电机出口开关2KM突然跳闸，观察和记录各表计的变化（注意发电机的转速和电压要很快调下来）。
（五）分析思考题
1）发电机进相运行的作用是什么？随着进相运行深度的增加，机端电压为什么会下降？
答：发电机进相运行时，发出正的有功功率和负的容性无功功率，即从系统吸收无功功率，这对维持系统无功功率平衡，从而调节系统电压。保证供电质量起了一定的作用。随进相的运行深度的增加，定子电流上升，电压升高。发电机励磁电流下降，极端电压下降。
2）发电机失磁而有功较小时，为什么能保持同步而不失步？
答：发电机失磁后，转子加速，功角拉大，力图使发电机的励磁功率与电动功率之间保持平衡，发电机逐渐过渡到进相运行状态，而在临界失步时，需要经历一个时间t.当发电机失磁时有功很小，这表明发电机空载运行时，即使全部失磁也不会失步。 3）发电机失磁并失步后，发电机频率表和转速表的指示有什么变化？为什么？ 答：失磁后发电机电枢反应的程度变小，转子加速，转速表上升，但是频率表不变，频率表收到系统频率限制。
4）分析发电机带孤立负荷运行时失磁的特点。
答：发电机带孤立负荷运行时失磁时频率和转速都变大，失磁后频率升高是由于转子相当于没有负载在空载，所以频率较之之前升高了，转子转速增加是因为转子上的转速完全有原动机。
5）说明发电机调相运行的作用和特点。
答：发电机调相运行用于无功功率调节，对改善电网功率因数及电网经济运行起重要的作用，是现代大型电网中必不可少的主要电力设备之一，从理论上讲，它实际是空载运行的发动机。
6）分析发电机甩负荷后运行参数变化的特点。
答：发电机甩负荷后有功功率和无功功率都变为零，功率因数为1，既有功发不出，极端电压升高很多，是因为励磁绕组上过剩磁场能量积累，空载电势很大，所以使得端电压升高。
的运行情况。
1．不饱和Xd4UG=f（IF图3所示；
5如图中虚线所示；6） 在纵轴上取IG=I势UGO；
4）求Xd值：Xd = U
五、心得体会
的任务，但是通过几次实验的慢慢熟悉，我逐渐熟练地掌握了发电机并网的步骤。
在实验过程中，通过王老师的耐心指导，对发电机并网的理论知识加深、巩固，更懂得了做实验不应该以记录实验报告上面的表格的数据为目的，而是应该理论联系实际，了
三亿文库包含各类专业文献、外语学习资料、生活休闲娱乐、中学教育、高等教育、幼儿教育、小学教育、文学作品欣赏、应用写作文书、39广西大学电气工程学院三相同步发电机实验(手动)发电厂运行与控制实验报告等内容。　
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