柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的原理和特點(diǎn)
柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)工作時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流不能維持均衡分配，或者出現(xiàn)電流和功率周期性振蕩的現(xiàn)象，以致引起轉(zhuǎn)速、電壓和頻率的不穩(wěn)定，即發(fā)電機(jī)組不能穩(wěn)定并聯(lián)工作。對(duì)于這類問題，電工人員往往認(rèn)為是由于柴油發(fā)電機(jī)的機(jī)械原因引起的，而機(jī)務(wù)人員則又認(rèn)為是由于電氣設(shè)備的原因造成的，而且雙方都可證明每臺(tái)機(jī)組的有關(guān)部分在性能上是正常的。
發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)?將等于其端電壓和內(nèi)部壓降的矢量和，矢量?和矢量ú的相位差為θ,θ為功率角。?和i相位差為ψ＝0＋φ。發(fā)電機(jī)的輸出功率為
p＝muicosφ
式中 m——發(fā)電機(jī)的相數(shù)，一般m＝3。
由矢量圖可以看出
ucosφ=ecosψ
ixdcosψ=usinθ
將以上兩式代入發(fā)電機(jī)的功率表達(dá)式，可得
(1-1)
式（1-1）中的m和xa是常量。如果發(fā)電機(jī)的電壓也比較穩(wěn)定的話，發(fā)電機(jī)的輸出功率就和電勢(shì)e和sinθ成正比。對(duì)于某一給定的e值，可以繪制一條功率p和功角θ的關(guān)系曲線，稱為功角特性。對(duì)于不同的勵(lì)磁電流，也即不同的電勢(shì)，功角特性將是一族如圖1所示的正弦曲線。當(dāng)圖中的θ角為負(fù)值時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率亦為負(fù)值，表示此時(shí)發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，通過母線從外部吸取電能。
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圖1 同步發(fā)電機(jī)的功角特性
現(xiàn)在來分析上述各個(gè)電量和轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。大家知道，發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)是由轉(zhuǎn)子磁通旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，用d和q分別表示轉(zhuǎn)子的縱軸和橫軸，如圖2所示。轉(zhuǎn)子磁通ψf；總是沿著d軸方向，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，由這一磁通所感生的電勢(shì)?應(yīng)滯后磁通90°，因此?應(yīng)沿著q軸的方向。換句話說，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的數(shù)值決定了電勢(shì)?的大小，轉(zhuǎn)子的橫軸總代表著電勢(shì)的位置和方向。當(dāng)定子繞組流過三相負(fù)載電流的時(shí)候，定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通（即電樞反應(yīng)磁通）將使通過氣隙的轉(zhuǎn)子磁通變形和削弱，也即使磁通矢量的大小和方向有所改變，發(fā)電機(jī)電壓就是由這一新的合成磁通ψδ建立的，把發(fā)電機(jī)定子繞組的電壓矢量也畫在轉(zhuǎn)子上（見圖2）。從圖2可以看出，發(fā)電機(jī)的磁鏈（磁通）矢量圖和電壓矢量圖不論是形狀或者隨負(fù)載電流的變化規(guī)律都是相似的。因此，可以用這樣的模型來比喻發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁現(xiàn)象：原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，通過一些像彈簧一樣的磁力線ψδ，拖著定子的電壓矢量一起旋轉(zhuǎn)，從而把機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為電磁功率。隨著功率的增加，磁力線與主軸間的夾角θ也增大，表明彈性磁力線被拉伸，在功率角θ達(dá)到90°時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率達(dá)最大值。以后，發(fā)電機(jī)的功率（即原動(dòng)機(jī)的負(fù)載）將隨著θ的增大而減小。可以看出：在0＞90°時(shí)，如果不考慮慣性的影響，原動(dòng)機(jī)功率和其負(fù)載是不能平衡的，發(fā)電機(jī)也不可能在此狀況下穩(wěn)定工作；當(dāng)θ超過180°時(shí)，磁力線的拉力將和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向一致，原動(dòng)機(jī)反而被發(fā)電機(jī)用外部電能加速，發(fā)電機(jī)落入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，和電網(wǎng)失去同步。
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圖2 同步發(fā)電機(jī)的電壓和磁鏈?zhǔn)噶繄D圖3 并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的電壓及電勢(shì)矢量圖
由此得到一個(gè)啟示，即可以把整個(gè)發(fā)電機(jī)看成是一個(gè)彈性聯(lián)軸節(jié)，彈性聯(lián)軸節(jié)的特性可由式（1-1）和圖1表示，而所有并聯(lián)發(fā)電機(jī)組都可以看作是由這樣一些聯(lián)軸節(jié)在機(jī)械上互相聯(lián)系在一起的等效柴油發(fā)電機(jī)，共同拖動(dòng)一個(gè)公共的負(fù)載，這樣就可以用一定的機(jī)電當(dāng)量把電氣部分也轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的機(jī)械系統(tǒng)中去。這樣做不但在發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)（如電壓、電流）變化不劇烈時(shí)是允許的，而且在側(cè)重分析機(jī)械問題時(shí)也會(huì)帶來很大的方便。
發(fā)電機(jī)矢量圖和式（1-1）的功角特性固然適用于單獨(dú)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，但主要還是用于分析發(fā)電機(jī)的并聯(lián)工作。因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)單獨(dú)工作時(shí)，從矢量圖可以看出，其功角不可能超過90°，也不可能為負(fù)值，但是當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，情況就可能復(fù)雜得多。例如，圖3表示了兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的情況。如前所述，它們具有共同的電壓，兩臺(tái)機(jī)組的總功率應(yīng)和負(fù)載功率相平衡，而每臺(tái)機(jī)組的功率大小則和該機(jī)組的功率角有關(guān)，圖中θ1＞θ2即第一臺(tái)機(jī)組的功率p1大于第二臺(tái)機(jī)組的功率p2。按照矢量圖和式（1-1），功角差θ12反映了兩臺(tái)機(jī)組的功率差別，對(duì)于一般發(fā)電機(jī)參數(shù)來說，θ12＝20°～30°電角度，就足以使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率差別等于發(fā)電機(jī)的額定功率。由于總的負(fù)載功率是不變的，因此，一臺(tái)機(jī)組的功角（功率）增加，另一臺(tái)機(jī)組的功角必然減小，甚至成為負(fù)值。這就說明，在分析發(fā)電機(jī)功率變化的時(shí)候，必須要和其他并聯(lián)機(jī)組的功角變化聯(lián)系起來。
發(fā)電機(jī)的電磁功率就是柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載功率，柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載的改變必然要影響柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致調(diào)速器動(dòng)作以改變其供油量，這說明在分析發(fā)電機(jī)功率變化的時(shí)候還必須和柴油發(fā)電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)作過程聯(lián)系起來。此外，發(fā)電機(jī)功率或負(fù)載電流的變化必然要導(dǎo)致調(diào)壓器動(dòng)作，以改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，因此式（1-1）中的電勢(shì)、功角、甚至電壓和頻率往往都不是固定值，把上述一切因素綜合在一起進(jìn)行分析，顯然是很復(fù)雜的。
為了便于分析和定性地說明問題，人們常利用機(jī)組和無窮大電網(wǎng)并聯(lián)的概念，即假定所研究的發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)功率為無窮大的發(fā)電機(jī)并聯(lián)，整個(gè)電網(wǎng)的電壓和頻率被無窮大機(jī)組保持在固定值，而不受小功率機(jī)組功率變化的影響。這樣就可把著眼點(diǎn)放在一臺(tái)機(jī)組上，使問題大大簡(jiǎn)化，然后再把所得到的結(jié)論推廣到容量相當(dāng)?shù)臋C(jī)組并聯(lián)的條件中去。在某些情況下，如當(dāng)電網(wǎng)容量大大超過單臺(tái)發(fā)電機(jī)組容量的時(shí)候，當(dāng)然也可直接用和無窮大電網(wǎng)并聯(lián)的概念來解釋。
前面曾經(jīng)提到，并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)其頻率是嚴(yán)格一致的，在分析發(fā)電機(jī)功角特性時(shí)也指出，發(fā)電機(jī)的功角一般不會(huì)超過90°，就是在轉(zhuǎn)子擺動(dòng)過程中，功角的瞬時(shí)值也不應(yīng)超過180°，否則發(fā)電機(jī)就要失去同步。或者說，在整個(gè)同步運(yùn)行期間，不管運(yùn)行持續(xù)了多長(zhǎng)時(shí)間，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)磁極軸線轉(zhuǎn)動(dòng)角度之差，積累起來不可能超過180°電角度。
發(fā)電機(jī)頻率和原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為
(1-2)
式中f——發(fā)電機(jī)的電壓頻率，hz；
n——原動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，r/min；
p——發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。
由此可見，如果發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)相同，在整個(gè)同步運(yùn)行期間，不管其負(fù)載分配是否有誤差或振蕩，兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的積累轉(zhuǎn)數(shù)之差，一般不會(huì)超過1/2p轉(zhuǎn)。所以要強(qiáng)調(diào)這一概念，是因?yàn)橛械臋C(jī)修人員總想用檢測(cè)柴油發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速的方法，來分析發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行中出現(xiàn)的不正常現(xiàn)象。顯然，用一般的檢測(cè)手段，這樣做是行不通的。后面也會(huì)談到并聯(lián)運(yùn)行中機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)問題，但指的是功率角相對(duì)某一中間值或穩(wěn)定值的小范圍擺動(dòng)，和柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的一般概念不盡相同。


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