柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的原理和特點
發(fā)布時間：2024-04-10 點擊：191
柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的原理和特點
柴油發(fā)電機組并聯(lián)工作時，往往會出現(xiàn)負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)電機組不能穩(wěn)定并聯(lián)工作。對于這類問題，電工人員往往認為是由于柴油發(fā)電機的機械原因引起的，而機務人員則又認為是由于電氣設(shè)備的原因造成的，而且雙方都可證明每臺機組的有關(guān)部分在性能上是正常的。
發(fā)電機的空載電勢?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)電機的輸出功率為
p＝muicosφ
式中 m——發(fā)電機的相數(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)電機的功率表達式，可得
(1-1)
式（1-1）中的m和xa是常量。如果發(fā)電機的電壓也比較穩(wěn)定的話，發(fā)電機的輸出功率就和電勢e和sinθ成正比。對于某一給定的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。對于不同的勵磁電流，也即不同的電勢，功角特性將是一族如圖1所示的正弦曲線。當圖中的θ角為負值時，發(fā)電機的功率亦為負值，表示此時發(fā)電機工作在電動機狀態(tài)，通過母線從外部吸取電能。
發(fā)電機的功角特性.png width=400 height=250 />
圖1 同步發(fā)電機的功角特性
現(xiàn)在來分析上述各個電量和轉(zhuǎn)子機械運動之間的關(guān)系。大家知道，發(fā)電機的空載電勢是由轉(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)電磁感應定律，由這一磁通所感生的電勢?應滯后磁通90°，因此?應沿著q軸的方向。換句話說，轉(zhuǎn)子勵磁電流的數(shù)值決定了電勢?的大小，轉(zhuǎn)子的橫軸總代表著電勢的位置和方向。當定子繞組流過三相負載電流的時候，定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通（即電樞反應磁通）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)電機電壓就是由這一新的合成磁通ψδ建立的，把發(fā)電機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)電機的磁鏈（磁通）矢量圖和電壓矢量圖不論是形狀或者隨負載電流的變化規(guī)律都是相似的。因此，可以用這樣的模型來比喻發(fā)電機內(nèi)部的電磁現(xiàn)象：原動機帶動發(fā)電機的轉(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達到90°時，發(fā)電機的功率達最大值。以后，發(fā)電機的功率（即原動機的負載）將隨著θ的增大而減小。可以看出：在0＞90°時，如果不考慮慣性的影響，原動機功率和其負載是不能平衡的，發(fā)電機也不可能在此狀況下穩(wěn)定工作；當θ超過180°時，磁力線的拉力將和轉(zhuǎn)子運動方向一致，原動機反而被發(fā)電機用外部電能加速，發(fā)電機落入電動機狀態(tài)，和電網(wǎng)失去同步。
發(fā)電機的電壓和磁鏈矢量圖.png width=600 height=375 />
圖2 同步發(fā)電機的電壓和磁鏈矢量圖圖3 并聯(lián)運行發(fā)電機的電壓及電勢矢量圖
由此得到一個啟示，即可以把整個發(fā)電機看成是一個彈性聯(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)電機組都可以看作是由這樣一些聯(lián)軸節(jié)在機械上互相聯(lián)系在一起的等效柴油發(fā)電機，共同拖動一個公共的負載，這樣就可以用一定的機電當量把電氣部分也轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的機械系統(tǒng)中去。這樣做不但在發(fā)電機電磁參數(shù)（如電壓、電流）變化不劇烈時是允許的，而且在側(cè)重分析機械問題時也會帶來很大的方便。
發(fā)電機矢量圖和式（1-1）的功角特性固然適用于單獨運行的發(fā)電機，但主要還是用于分析發(fā)電機的并聯(lián)工作。因為在發(fā)電機單獨工作時，從矢量圖可以看出，其功角不可能超過90°，也不可能為負值，但是當發(fā)電機并聯(lián)運行時，情況就可能復雜得多。例如，圖3表示了兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行的情況。如前所述，它們具有共同的電壓，兩臺機組的總功率應和負載功率相平衡，而每臺機組的功率大小則和該機組的功率角有關(guān)，圖中θ1＞θ2即第一臺機組的功率p1大于第二臺機組的功率p2。按照矢量圖和式（1-1），功角差θ12反映了兩臺機組的功率差別，對于一般發(fā)電機參數(shù)來說，θ12＝20°～30°電角度，就足以使兩臺發(fā)電機的功率差別等于發(fā)電機的額定功率。由于總的負載功率是不變的，因此，一臺機組的功角（功率）增加，另一臺機組的功角必然減小，甚至成為負值。這就說明，在分析發(fā)電機功率變化的時候，必須要和其他并聯(lián)機組的功角變化聯(lián)系起來。
發(fā)電機的電磁功率就是柴油發(fā)電機的負載功率，柴油發(fā)電機負載的改變必然要影響柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，導致調(diào)速器動作以改變其供油量，這說明在分析發(fā)電機功率變化的時候還必須和柴油發(fā)電機及其調(diào)速系統(tǒng)的動作過程聯(lián)系起來。此外，發(fā)電機功率或負載電流的變化必然要導致調(diào)壓器動作，以改變發(fā)電機的勵磁電流，因此式（1-1）中的電勢、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行分析，顯然是很復雜的。
為了便于分析和定性地說明問題，人們常利用機組和無窮大電網(wǎng)并聯(lián)的概念，即假定所研究的發(fā)電機組和一臺功率為無窮大的發(fā)電機并聯(lián)，整個電網(wǎng)的電壓和頻率被無窮大機組保持在固定值，而不受小功率機組功率變化的影響。這樣就可把著眼點放在一臺機組上，使問題大大簡化，然后再把所得到的結(jié)論推廣到容量相當?shù)臋C組并聯(lián)的條件中去。在某些情況下，如當電網(wǎng)容量大大超過單臺發(fā)電機組容量的時候，當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)運行的同步發(fā)電機其頻率是嚴格一致的，在分析發(fā)電機功角特性時也指出，發(fā)電機的功角一般不會超過90°，就是在轉(zhuǎn)子擺動過程中，功角的瞬時值也不應超過180°，否則發(fā)電機就要失去同步。或者說，在整個同步運行期間，不管運行持續(xù)了多長時間，兩臺發(fā)電機磁極軸線轉(zhuǎn)動角度之差，積累起來不可能超過180°電角度。
發(fā)電機頻率和原動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為
(1-2)
式中f——發(fā)電機的電壓頻率，hz；
n——原動機的機械轉(zhuǎn)速，r/min；
p——發(fā)電機的磁極對數(shù)。
由此可見，如果發(fā)電機的磁極對數(shù)相同，在整個同步運行期間，不管其負載分配是否有誤差或振蕩，兩臺柴油發(fā)電機的積累轉(zhuǎn)數(shù)之差，一般不會超過1/2p轉(zhuǎn)。所以要強調(diào)這一概念，是因為有的機修人員總想用檢測柴油發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速的方法，來分析發(fā)電機并聯(lián)運行中出現(xiàn)的不正常現(xiàn)象。顯然，用一般的檢測手段，這樣做是行不通的。后面也會談到并聯(lián)運行中機組的轉(zhuǎn)速波動問題，但指的是功率角相對某一中間值或穩(wěn)定值的小范圍擺動，和柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化的一般概念不盡相同。
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柴油發(fā)電機組機油壓力異常故障排除方法
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發(fā)電機的空載電勢?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)電機的輸出功率為
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圖1 同步發(fā)電機的功角特性
現(xiàn)在來分析上述各個電量和轉(zhuǎn)子機械運動之間的關(guān)系。大家知道，發(fā)電機的空載電勢是由轉(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)電磁感應定律，由這一磁通所感生的電勢?應滯后磁通90°，因此?應沿著q軸的方向。換句話說，轉(zhuǎn)子勵磁電流的數(shù)值決定了電勢?的大小，轉(zhuǎn)子的橫軸總代表著電勢的位置和方向。當定子繞組流過三相負載電流的時候，定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通（即電樞反應磁通）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)電機電壓就是由這一新的合成磁通ψδ建立的，把發(fā)電機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)電機的磁鏈（磁通）矢量圖和電壓矢量圖不論是形狀或者隨負載電流的變化規(guī)律都是相似的。因此，可以用這樣的模型來比喻發(fā)電機內(nèi)部的電磁現(xiàn)象：原動機帶動發(fā)電機的轉(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達到90°時，發(fā)電機的功率達最大值。以后，發(fā)電機的功率（即原動機的負載）將隨著θ的增大而減小。可以看出：在0＞90°時，如果不考慮慣性的影響，原動機功率和其負載是不能平衡的，發(fā)電機也不可能在此狀況下穩(wěn)定工作；當θ超過180°時，磁力線的拉力將和轉(zhuǎn)子運動方向一致，原動機反而被發(fā)電機用外部電能加速，發(fā)電機落入電動機狀態(tài)，和電網(wǎng)失去同步。
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圖2 同步發(fā)電機的電壓和磁鏈矢量圖圖3 并聯(lián)運行發(fā)電機的電壓及電勢矢量圖
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發(fā)電機矢量圖和式（1-1）的功角特性固然適用于單獨運行的發(fā)電機，但主要還是用于分析發(fā)電機的并聯(lián)工作。因為在發(fā)電機單獨工作時，從矢量圖可以看出，其功角不可能超過90°，也不可能為負值，但是當發(fā)電機并聯(lián)運行時，情況就可能復雜得多。例如，圖3表示了兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行的情況。如前所述，它們具有共同的電壓，兩臺機組的總功率應和負載功率相平衡，而每臺機組的功率大小則和該機組的功率角有關(guān)，圖中θ1＞θ2即第一臺機組的功率p1大于第二臺機組的功率p2。按照矢量圖和式（1-1），功角差θ12反映了兩臺機組的功率差別，對于一般發(fā)電機參數(shù)來說，θ12＝20°～30°電角度，就足以使兩臺發(fā)電機的功率差別等于發(fā)電機的額定功率。由于總的負載功率是不變的，因此，一臺機組的功角（功率）增加，另一臺機組的功角必然減小，甚至成為負值。這就說明，在分析發(fā)電機功率變化的時候，必須要和其他并聯(lián)機組的功角變化聯(lián)系起來。
發(fā)電機的電磁功率就是柴油發(fā)電機的負載功率，柴油發(fā)電機負載的改變必然要影響柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，導致調(diào)速器動作以改變其供油量，這說明在分析發(fā)電機功率變化的時候還必須和柴油發(fā)電機及其調(diào)速系統(tǒng)的動作過程聯(lián)系起來。此外，發(fā)電機功率或負載電流的變化必然要導致調(diào)壓器動作，以改變發(fā)電機的勵磁電流，因此式（1-1）中的電勢、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行分析，顯然是很復雜的。
為了便于分析和定性地說明問題，人們常利用機組和無窮大電網(wǎng)并聯(lián)的概念，即假定所研究的發(fā)電機組和一臺功率為無窮大的發(fā)電機并聯(lián)，整個電網(wǎng)的電壓和頻率被無窮大機組保持在固定值，而不受小功率機組功率變化的影響。這樣就可把著眼點放在一臺機組上，使問題大大簡化，然后再把所得到的結(jié)論推廣到容量相當?shù)臋C組并聯(lián)的條件中去。在某些情況下，如當電網(wǎng)容量大大超過單臺發(fā)電機組容量的時候，當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)運行的同步發(fā)電機其頻率是嚴格一致的，在分析發(fā)電機功角特性時也指出，發(fā)電機的功角一般不會超過90°，就是在轉(zhuǎn)子擺動過程中，功角的瞬時值也不應超過180°，否則發(fā)電機就要失去同步。或者說，在整個同步運行期間，不管運行持續(xù)了多長時間，兩臺發(fā)電機磁極軸線轉(zhuǎn)動角度之差，積累起來不可能超過180°電角度。
發(fā)電機頻率和原動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為
(1-2)
式中f——發(fā)電機的電壓頻率，hz；
n——原動機的機械轉(zhuǎn)速，r/min；
p——發(fā)電機的磁極對數(shù)。
由此可見，如果發(fā)電機的磁極對數(shù)相同，在整個同步運行期間，不管其負載分配是否有誤差或振蕩，兩臺柴油發(fā)電機的積累轉(zhuǎn)數(shù)之差，一般不會超過1/2p轉(zhuǎn)。所以要強調(diào)這一概念，是因為有的機修人員總想用檢測柴油發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速的方法，來分析發(fā)電機并聯(lián)運行中出現(xiàn)的不正常現(xiàn)象。顯然，用一般的檢測手段，這樣做是行不通的。后面也會談到并聯(lián)運行中機組的轉(zhuǎn)速波動問題，但指的是功率角相對某一中間值或穩(wěn)定值的小范圍擺動，和柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化的一般概念不盡相同。
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