基于力學(xué)原理的同步發(fā)電機(jī)功率流向分析與調(diào)節(jié)

洪建興 王 莉

（長慶油田公司水電廠，陜西西安710200）

0 引言

同步發(fā)電機(jī)是將熱能、水能等通過機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生三相交流電源，并通過電能輸送，實(shí)現(xiàn)對(duì)外做功的電氣設(shè)備。

1 受力平衡分析

發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，從轉(zhuǎn)子的受力情況分析，其主要受到原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力、定子電流磁場轉(zhuǎn)矩的阻力、各種摩擦阻力的作用。在這三種力的作用下轉(zhuǎn)子受力是平衡的。其中原動(dòng)機(jī)機(jī)械扭矩是主動(dòng)力，電磁轉(zhuǎn)矩和各種摩擦阻力是從動(dòng)力，機(jī)械扭矩克服電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦阻力實(shí)現(xiàn)對(duì)外做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2 定子磁場受力分析

2.1 磁場及參考系的建立

設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)并網(wǎng)成功并產(chǎn)生電樞反應(yīng)時(shí)，某時(shí)刻定子電流的合成磁場如圖1所示，上端S極，下端N極，并取該時(shí)刻定子磁場方向建立坐標(biāo)系，當(dāng)轉(zhuǎn)軸上只加很小機(jī)械扭矩并和摩擦阻力平衡時(shí)，發(fā)電機(jī)無有功輸出，其轉(zhuǎn)子、定子磁場軸線重合，按照同極相斥的原理，轉(zhuǎn)子N極向上，S極向下。磁力線從轉(zhuǎn)子磁場N極發(fā)出，穿過空氣隙進(jìn)入定子磁場S極，下半段磁力線從定子磁場N極發(fā)出，穿過空氣吸進(jìn)入轉(zhuǎn)子磁場S極。兩對(duì)磁極相互牽引且同軸做著同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為方便分析，本文只討論定子和轉(zhuǎn)子一個(gè)磁極對(duì)的受力情況，另一個(gè)磁極對(duì)完全相同。

2.2 有功輸出的力學(xué)特性

當(dāng)有有功輸出時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極軸線相較于定子磁極軸線超前并轉(zhuǎn)過一個(gè)角度。如圖2所示，此時(shí)轉(zhuǎn)子對(duì)定子磁場的牽引力為F，將力F按照四邊形法則分解，并分別進(jìn)行分析。

圖1 定子磁場剖面圖

圖2 有功輸出受力圖

F1=Fcos θ沿切線方向，定子磁場在該分力作用下做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。根據(jù)力的反作用原理，轉(zhuǎn)子磁場受到大小相等、方向相反的力F′，同時(shí)受到原動(dòng)機(jī)機(jī)械扭矩T和摩擦阻力。在扭矩T增加的過程中，轉(zhuǎn)子愈加偏離平衡位置，力F及反作用力F′隨著偏離平衡位置而逐漸增大，直至F′和摩擦力與原動(dòng)機(jī)扭矩T相平衡，轉(zhuǎn)子才能穩(wěn)定于某個(gè)位置繼續(xù)同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)θ=90°時(shí)，F(xiàn)1=0，發(fā)電機(jī)有功輸出為零，隨著偏離平衡位置愈遠(yuǎn)，電樞反應(yīng)更加激烈，定子電流增大，磁場增強(qiáng)，力F逐漸增大，分力F1也相應(yīng)增大，相應(yīng)的原動(dòng)機(jī)的扭矩也增大，發(fā)電機(jī)有功輸出增加。

F2=Fsin θ沿法線方向并指向圓心，隨著轉(zhuǎn)子偏離，該分力逐漸減小，且始終與定子磁場旋轉(zhuǎn)速度方向垂直，它不改變定子磁場速度，只改變速度方向，迫使定子磁場做圓周運(yùn)動(dòng)，故該力為電網(wǎng)提供無功功率。轉(zhuǎn)子N極處于圓弧AB區(qū)域時(shí)發(fā)電機(jī)做遲相運(yùn)行。

3 轉(zhuǎn)子扭矩調(diào)節(jié)時(shí)的受力變化分析

轉(zhuǎn)子扭矩增加及偏離平衡位置的過程中，其N極不但受到定子S極的牽引阻力，同時(shí)還受到定子N極的排斥阻力，且影響逐漸增大，到一定程度后對(duì)轉(zhuǎn)子的影響將超過S極而處于主導(dǎo)地位。發(fā)電機(jī)的功率流向是克服這兩個(gè)力做功的總體結(jié)果。

3.1 定子N極對(duì)轉(zhuǎn)子的影響

隨著相對(duì)角度的增加，轉(zhuǎn)子對(duì)定子N極斥力沿法線方向的分力F4逐漸增加，到達(dá)B點(diǎn)位置時(shí)，如圖3所示，F(xiàn)2=F4，轉(zhuǎn)子對(duì)定子兩個(gè)磁極沿法線方向的分力達(dá)到平衡狀態(tài)（一個(gè)引力指向圓心、一個(gè)斥力背離圓心），處于該角度時(shí)，發(fā)電機(jī)綜合無功輸出為零，功率因素為1，即cos α=1。

圖3 零無功受力圖

3.2 超相運(yùn)行力學(xué)特性

在B點(diǎn)若逐漸減小勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子將進(jìn)入BC圓弧區(qū)域，該區(qū)域定子N極和轉(zhuǎn)子磁場間的斥力處于主導(dǎo)地位，斥力的分力F4沿法線方向指向外周，即轉(zhuǎn)子磁場沒有能夠迫使定子磁場做圓周運(yùn)動(dòng)，而是在力F4的反方向做圓周運(yùn)動(dòng)。斥力沿切線方向的分力F3則推動(dòng)定子磁場繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并輸出有功功率。該階段發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收無功功率，輸出有功功率，處于超相運(yùn)行階段，其分界點(diǎn)為B點(diǎn)。

3.3 超相對(duì)磁力線的影響

隨著超相深度的增加，轉(zhuǎn)子N極距定子N極愈近，同極斥力迫使磁力線不能沿空氣隙閉合，定子磁場形成很大漏磁，轉(zhuǎn)子磁場在凸沿、端部處產(chǎn)生很大渦流，使機(jī)殼端部發(fā)熱，引起機(jī)組過熱，故隨著超相深度的增加，機(jī)組端部發(fā)熱愈加明顯。

3.4 電機(jī)失步受力分析

假設(shè)轉(zhuǎn)子磁極調(diào)整到達(dá)D點(diǎn)（事實(shí)上轉(zhuǎn)子不可能通過C點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)，C點(diǎn)是同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定極限），如圖4所示位置，此時(shí)同極斥力有迫使轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，需給轉(zhuǎn)子增加一個(gè)阻力扭矩才能保證發(fā)電機(jī)處于同步轉(zhuǎn)速，但這是不可能實(shí)現(xiàn)的，此處是發(fā)電機(jī)的失步區(qū)域，所以C點(diǎn)是發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行的穩(wěn)定極限，發(fā)電機(jī)做超相運(yùn)行時(shí)須留有安全余量。

3.5 調(diào)相力學(xué)特性

轉(zhuǎn)子在初始位置A點(diǎn)時(shí)，若完全關(guān)閉氣門或水閘，轉(zhuǎn)子將在摩擦阻力作用下跌入第二象限到達(dá)G點(diǎn)，如圖5所示，此時(shí)定子磁場對(duì)轉(zhuǎn)子磁極牽引力沿切線方向的分力與摩擦阻力達(dá)到平衡，即定子磁場將克服摩擦阻力牽引著轉(zhuǎn)子做同步運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)將從系統(tǒng)吸收并消耗部分有功功率。在該區(qū)域時(shí)兩個(gè)磁極牽引力沿法線方向的分力仍舊迫使定子磁場向內(nèi)做圓周運(yùn)行，發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸送無功功率。圖中AE區(qū)域?yàn)榘l(fā)電機(jī)的調(diào)相運(yùn)行區(qū)域。

圖4 失步受力圖

圖5 調(diào)相受力圖

3.6 各象限功率流向

各象限功率流向如表1所示。

表1 各象限功率流向表

4 結(jié)語

綜上所述，AB區(qū)域（第一象限）為遲相運(yùn)行區(qū)域，轉(zhuǎn)子磁極在該區(qū)域時(shí)發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)輸出有功和無功功率，發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段。BC區(qū)域（第四象限）為超相運(yùn)行區(qū)域，該區(qū)域發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)輸出有功功率，但從電網(wǎng)吸收無功功率，發(fā)電機(jī)處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段，且隨著超相深度的增加，其穩(wěn)定性越來越差，電機(jī)漏磁增加發(fā)熱明顯。AE區(qū)域（第二象限）為調(diào)相運(yùn)行區(qū)域，在該區(qū)域時(shí)，發(fā)電機(jī)作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行，向系統(tǒng)輸送無功功率，而需要消耗部分有功功率。CE區(qū)域（第三象限），發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)同時(shí)吸收有功和無功功率，做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，無實(shí)際意義。

[1]王正茂，閻治安，崔新藝，等.電機(jī)學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.