同步發(fā)電機的模型、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)電機內(nèi)容較多，當(dāng)前比較流行的電機學(xué)文獻[1～12]在組織這些內(nèi)容時，存在一個普遍的問題，那就是，缺乏一條一以貫之的主線。電機學(xué)文獻在組織同步發(fā)電機內(nèi)容時，分為兩種類型：(1)分章型；(2)分節(jié)型。分章型的文獻有[1]、[2]、[4]、[5]、[7]、[8]、[9]、[10]、[12](文獻[2]、[5]形式上是分節(jié)，但實質(zhì)上是分章，故也列在分章型)，分節(jié)型的文獻有[3]、[6]、[11]。分章型一般把同步發(fā)電機內(nèi)容分為概述、原理、特性、并網(wǎng)四章(如文獻[1]、[2]、[4]、[12])，或分為概述、原理、并網(wǎng)三章(如文獻[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)電機內(nèi)容按節(jié)的方式一一敘述。分章型文獻對同步發(fā)電機內(nèi)容進行了一定的歸納，但卻沒有說明歸納的依據(jù)。分節(jié)型文獻則連這一層歸納都沒有，純粹是內(nèi)容的堆砌。無論分章型，還是分節(jié)型，都存在內(nèi)容凌亂、堆砌的缺點。

譬如，同樣是功角特性，有的文獻(如文獻[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12])放在并網(wǎng)運行中講述，有的文獻(如文獻[6])則不放在并網(wǎng)運行中講述。又如，同步發(fā)電機的空載特性、短路特性、零功因負(fù)載特性、外特性、調(diào)整特性等五個特性，文獻[3]、[4]、[6]把它們區(qū)分為兩類：基本特性(空載特性、短路特性、零功因負(fù)載特性)、運行特性(外特性、調(diào)整特性)；文獻[2]、[5]、[7]、[9]、[10]、[11]、[12]不加區(qū)分，把它們統(tǒng)統(tǒng)地稱為運行特性；文獻[8]也不加區(qū)分，但把它們統(tǒng)統(tǒng)地稱為基本特性；文獻[1]把它們既稱為基本特性，又稱為運行特性。這些文獻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有給出自己的依據(jù)，什么叫運行特性？什么叫基本特性？都沒有給出定義，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，徒增電機學(xué)難度。諸如此類，不一而足。

為了克服這些缺點，本文提出同步發(fā)電機的三口模型：電樞口、磁場口、機軸口；進而提出五類關(guān)系：樞樞關(guān)系、樞場關(guān)系、場樞關(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)運行中的應(yīng)用。

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

為簡明扼要，本文多處使用簡稱。電樞簡為樞，勵磁磁場簡為場，機械軸簡為軸。為節(jié)省篇幅，所用符號的意義不會引起誤會時不給出說明。本文以隱極發(fā)電機為例，凸極發(fā)電機稍作修改即可類推。所有圖形，包括相量圖、等效電路圖、特性圖和V形曲線等，均可參見文末所附任一文獻，本文從略。

1 同步發(fā)電機的三口模型

如果把同步發(fā)電機看做一個系統(tǒng)，那么，它與環(huán)境有三個接口：電樞接口(簡稱樞口)，勵磁磁場接口(簡稱場口)，機械軸接口(簡稱軸口)。同步發(fā)電機的三口模型如圖1、圖2所示。

圖1 不計飽和時隱極同步發(fā)電機的三口模型

圖2 計及飽和時隱極同步發(fā)電機的三口模型

2 同步發(fā)電機的五類關(guān)系

同步發(fā)電機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：(1)樞樞關(guān)系；(2)樞場關(guān)系；(3)場樞關(guān)系；(4)軸樞關(guān)系；(5)樞角關(guān)系。

2.1 同步發(fā)電機的樞樞關(guān)系

同步發(fā)電機樞樞關(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。

隱極機不計飽和時的電壓方程如式(1)所示。隱極機計及飽和時的電壓方程如式(2)所示。

(1)

(2)

隱極機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)電機的樞場關(guān)系

同步發(fā)電機的樞場關(guān)系是指電樞電壓、電樞電流與勵磁電流之間的關(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。

2.3 同步發(fā)電機的場樞關(guān)系

同步發(fā)電機的場樞關(guān)系是指勵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)電機的軸樞關(guān)系

同步發(fā)電機的軸樞關(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)電機的樞角關(guān)系

同步發(fā)電機的樞角關(guān)系是指樞口電磁功率與三個角(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)電機模型和關(guān)系的應(yīng)用

當(dāng)同步發(fā)電機并網(wǎng)運行時，我們關(guān)注的是有功功率的調(diào)節(jié)(簡稱有功調(diào)節(jié))、靜態(tài)穩(wěn)定、無功功率的調(diào)節(jié)(簡稱無功調(diào)節(jié))。

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

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

無功調(diào)節(jié)可以通過樞場關(guān)系中V形曲線得到說明。

4 結(jié)語

4.1 本文提出了同步發(fā)電機的三口模型。

4.2 基于三口模型，本文提出了同步發(fā)電機的五類關(guān)系。

4.3 基于三口模型的五類關(guān)系就是同步發(fā)電機理論的一條主線。該主線好比一個綱，同步發(fā)電機的知識點好比目，綱舉目張。

4.4 引入上述主線后，同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行不過是基于同步發(fā)電機三口模型之五類關(guān)系的一個應(yīng)用。