/王曉東/

0 引言

同步發(fā)電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、發(fā)電效率高、制造維護(hù)成本低等的高性價(jià)比成為現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)電設(shè)備的首選，無(wú)論火力發(fā)電、水力發(fā)電還是原子能發(fā)電幾乎全部采用同步發(fā)電機(jī)，而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)也日益成為風(fēng)力發(fā)電的主力機(jī)型。因此，從不同側(cè)面、不同視角對(duì)同步發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功動(dòng)因進(jìn)行深度解析，必將會(huì)對(duì)發(fā)電廠功率調(diào)節(jié)優(yōu)化和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生積極影響。

1 同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程

為簡(jiǎn)化分析，本文以隱極同步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象（凸極同步發(fā)電機(jī)多一個(gè)直軸與交軸磁阻不等形成xd≠xq引發(fā)的與勵(lì)磁無(wú)關(guān)的附加功率），依據(jù)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)、定子繞組與變壓器一、二次線圈電磁關(guān)系相似性理論并按發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定正方向，則可得到同步發(fā)電機(jī)等值電路。同步發(fā)電機(jī)單相等值電路見(jiàn)圖1。

根據(jù)等值電路并按基爾霍夫電壓定律，可得同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)式方程：

圖1

2 同步發(fā)電機(jī)時(shí)空?qǐng)D

根據(jù)交流繞組磁動(dòng)勢(shì)理論分析：當(dāng)某相電流達(dá)到最大正值時(shí)，三相合成磁動(dòng)勢(shì)的基波向量的幅值（其中kw1為繞組系數(shù)，N為相繞組串聯(lián)總匝數(shù)，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，I為相電流）恰好轉(zhuǎn)到該相繞組軸線上且以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)若將相電流的時(shí)軸選在該相相軸上，則該相電流時(shí)間相量I與空間向量電樞（定子）三相合成磁動(dòng)勢(shì)重合，這樣依據(jù)同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)方程就可得到時(shí)空?qǐng)D。同步發(fā)電機(jī)時(shí)空?qǐng)D見(jiàn)圖2。

圖2 同步發(fā)電機(jī)時(shí)空?qǐng)D

圖3 交、直軸磁動(dòng)勢(shì)分量的等效磁極

3 同步發(fā)電機(jī)交、直軸磁動(dòng)勢(shì)分量等效磁極與有功、無(wú)功動(dòng)因

依據(jù)勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）繞組所受電磁力和電樞（定子）繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程

（式中fM(f2)為勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）繞組所受電磁力偶；Ba為電樞（定子）繞組產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bf為勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）繞組產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B為氣隙（合成）磁感應(yīng)強(qiáng)度；L1為定子導(dǎo)體長(zhǎng)度；L2為轉(zhuǎn)子導(dǎo)體長(zhǎng)度；v為導(dǎo)體切割磁力線速度）

不計(jì)磁路飽和，因磁化系數(shù)μ為常數(shù)，由磁動(dòng)勢(shì)方程和磁路歐姆定律：

（1）同步發(fā)電機(jī)交軸磁動(dòng)勢(shì)分量及有功功率動(dòng)因

（2）同步發(fā)電機(jī)直軸磁動(dòng)勢(shì)分量及無(wú)功功率動(dòng)因

且無(wú)功電流分量愈大，或者說(shuō)發(fā)出的無(wú)功功率分量愈大，則電壓下降的趨勢(shì)愈明顯，即

4 同步發(fā)電機(jī)能量流及有功、無(wú)功功率調(diào)節(jié)策略

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)時(shí)空?qǐng)D，并以原動(dòng)機(jī)輸入到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸機(jī)械能轉(zhuǎn)化、傳遞成定子繞組輸出電能的中間媒介氣隙磁場(chǎng)能為參照，可將空間向量磁動(dòng)勢(shì)及其等效磁極分解為兩組：①定子繞組磁動(dòng)勢(shì)（和氣隙磁動(dòng)勢(shì)的等效磁極；②氣隙磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）磁動(dòng)勢(shì)的等效磁極。同步發(fā)電機(jī)氣隙與轉(zhuǎn)子、定子與氣隙磁動(dòng)勢(shì)等效磁極見(jiàn)圖4。

根據(jù)能量守恒原理，交、直軸磁動(dòng)勢(shì)分量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸電磁力和出口端電壓的影響結(jié)果以及圖4，分析可知：

圖4 同步發(fā)電機(jī)定子、氣隙、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)等效磁極

（1）原動(dòng)機(jī)施加到電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2，

除去空載損耗折算的空載轉(zhuǎn)矩，全部用來(lái)克服有功電流作用在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TM而做功（拖動(dòng)氣隙磁動(dòng)勢(shì)等效磁極做功），所做的功完全轉(zhuǎn)化為能量傳遞中間媒介的氣隙電磁能；按照力和反作用力等效原則，氣隙電磁能等效的驅(qū)動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩TM去除定子銅耗對(duì)應(yīng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，完全用來(lái)克服發(fā)電機(jī)輸出電能作用在氣隙磁動(dòng)勢(shì)等效磁極轉(zhuǎn)軸上制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1而做功（推動(dòng)定子磁動(dòng)勢(shì)等效磁極做功））轉(zhuǎn)化成同步發(fā)電機(jī)電能輸出。功率流程見(jiàn)圖5。

圖5 同步發(fā)電機(jī)功率流程

（2）同步發(fā)電機(jī)有功功率調(diào)節(jié)策略

原動(dòng)機(jī)施加到電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2，除去空載損耗p0（=pΩ+pFe+pcuf）折算轉(zhuǎn)矩T0，完全用來(lái)平衡有功電流作用在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TM，即T2=TM+T0，若發(fā)電機(jī)有功電，根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程T2-（TM+T0）＝（式中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ω=2πn/60為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度），知：電機(jī)轉(zhuǎn)速，若要維持電網(wǎng)轉(zhuǎn)速或頻率不變（電能質(zhì)量衡量指標(biāo)之一，只有采用加大原動(dòng)機(jī)流量開(kāi)度（減小原動(dòng)機(jī)流量開(kāi)度）的調(diào)節(jié)策略。

（3）同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)策略

5 結(jié)束語(yǔ)

同步發(fā)電機(jī)作為現(xiàn)代電力工業(yè)不可替代的主力機(jī)型，其有功、無(wú)功功率調(diào)節(jié)研究一直是基于功角特性視角，本文則從電動(dòng)勢(shì)方程切入，以電機(jī)時(shí)空量為指針，并將定子、氣隙、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)等效成相應(yīng)磁極，然后依據(jù)能量守恒原理并加以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)分析，從磁動(dòng)勢(shì)視角對(duì)有功、無(wú)功動(dòng)因深度解析，為有功、無(wú)功更有效地調(diào)節(jié)提供策略依據(jù)。

[1]胡虔生.電機(jī)學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[2]葉水音.電機(jī)學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.