宋 宏，曹維軍，喬俊麗

（1.海軍駐西安導(dǎo)彈設(shè)備軍事代表室,西安710054； 2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，太原030027）

0 引言

近年來，自用電或售電的小型供電網(wǎng)絡(luò)越來越多，這種小網(wǎng)絡(luò)一般由數(shù)臺或數(shù)十臺中小型柴油發(fā)電機(jī)組或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組并聯(lián)組成，自成體系給廠礦、工地等小范圍供電，也有以經(jīng)營為目的給國家電網(wǎng)供電。供電網(wǎng)絡(luò)運行時要求發(fā)電機(jī)組能工作在各種工況下，比如輸出超前、滯后的無功等，發(fā)電機(jī)組從自身安全角度考慮，就要規(guī)定發(fā)電機(jī)安全運行極限范圍，指導(dǎo)電廠操作，避免事故。這種極限范圍圖也叫P-Q圖。有刷電機(jī)的P-Q圖一般通過試驗、計算數(shù)據(jù)可以直接繪制。無刷電機(jī)由于應(yīng)用了同軸勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流勵磁技術(shù)，取消了給主機(jī)提供勵磁的電刷，提高了運行可靠性，但同時也帶來一些不便，就是無法直接測量轉(zhuǎn)子上的電參數(shù)，即無法直接繪制P-Q圖。如何用相對準(zhǔn)確、簡單的方法做出無刷同步發(fā)電機(jī)的P-Q圖，是本文探討的問題。

1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行時的制約因素

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行時,主要有以下幾方面制約：

1)定子繞組電流的限制。定子繞組電流超過額定值，定子繞組溫升也會增加，過高的繞組溫度會損傷繞組絕緣，影響電機(jī)壽命。

2)勵磁繞組電流的限制。與定子繞組一樣，電流過高，會由于溫升高而損傷勵磁繞組絕緣。

3)原動機(jī)功率的限制。不管是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)還是柴油發(fā)動機(jī)，其輸出額定功率是一定的，如果發(fā)電機(jī)輸出有功功率超出機(jī)組額定功率，可能會造成機(jī)組停機(jī)或原動機(jī)損害。

4)發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定的限制。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出超前的無功功率時，定子的電樞反應(yīng)電流起助磁作用，為保持發(fā)電機(jī)端電壓不變，即氣隙磁勢基本不變，勵磁磁勢（勵磁電流）必須減小。此時勵磁電勢也減小，根據(jù)隱極電機(jī)極限功率公式（1）知道，極限功率將同比例減小。

式中，Pemmax—極限功率；m—相數(shù)；E0—勵磁電勢；U—端電壓；Xt—同步電抗。

所以發(fā)電機(jī)輸出超前的無功時，輸出有功功率應(yīng)適當(dāng)減少，否則，發(fā)電機(jī)將不能穩(wěn)定運行。

5)發(fā)電機(jī)定子端部溫度的限制。發(fā)電機(jī)勵磁磁通和定子電流產(chǎn)生的磁通合成氣隙磁通，定子端部漏磁通的合成也遵循這個規(guī)律，如圖1。但是由于漏磁阻很大，轉(zhuǎn)子(勵磁)繞組端部漏磁通很小一部分能參與定子繞組端部漏磁.通的合成。圖中AC為轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁磁通，OC為定子電流產(chǎn)生的定子繞組端部漏磁通,AO為氣隙處合成漏磁通δ，BC為參與.定子端部漏磁通合成的轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁通.(λ,λ＜1),，BO為合成后的定子端部漏磁通。

圖1 定子端部漏磁通合成矢量圖

圖2 隱極同步發(fā)電機(jī)運行矢量圖

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出超前無功且輸出電流不變時,從圖中可以看出，勵磁電流減小勵磁繞組端部漏磁通減弱,由于參與合成的轉(zhuǎn)子端部漏磁通成比例減小，所以定子漏磁場變大[1]。如果采用了導(dǎo)磁的定子端環(huán)、轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)，則漏磁場會通過定子繞組端部空間，轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)，氣隙及定子端環(huán)構(gòu)成漏磁路，在定子端部鐵芯平面上產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，導(dǎo)致附近繞組溫升過高。

2 發(fā)電機(jī)運行矢量圖分析

圖2為隱極同步發(fā)電機(jī).運行矢量圖[2]。不計飽和時，發(fā)電機(jī)勵磁磁通和定子電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通，以及合成的氣隙磁通，分別感生出自己的勵磁電.勢 、電樞反應(yīng)電勢（-jixα）及氣隙電勢，電勢滯后于磁通90°。圖2中△OHD為電勢合成三角形，△OAB為磁通合成三角形，OA、AB、OB分別代表發(fā)電機(jī)勵磁磁通 、定子電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通 、以及合成的氣隙磁通 。If為產(chǎn)生勵磁磁通的轉(zhuǎn)子勵磁電流，Ifi為抵消電樞反應(yīng)的勵磁電流分量，其向量值比例對應(yīng)于電樞電流，矢量方向為BA，Ifu為產(chǎn)生氣隙電勢的勵磁電流分量，Ifu和Ifi合成矢量If。由于勵磁電流合成三角形與磁通合成三角形相似，所以可以把它們合并分析。

做發(fā)電機(jī) P-Q圖需要知道發(fā)電機(jī)的電樞額定輸出電流和轉(zhuǎn)子額定輸入電流，以此為標(biāo)準(zhǔn)來檢測機(jī)組運行時實際工作電流是否超標(biāo)并能否被允許。定子額定輸出電流是設(shè)計值，轉(zhuǎn)子額定輸入電流需要通過試驗來最終確定。由于電機(jī)試驗站容量的限制，大功率電機(jī)不能做滿功率試驗，所以也就無法直接得到轉(zhuǎn)子額定輸入電流，工廠一般通過空載、短路試驗得到額定空載勵磁電流Ifu和額定短路勵磁電流Ifi，矢量合成求得額定勵磁電流If。

3 主機(jī)勵磁電流和勵磁機(jī)勵磁電流之間的關(guān)系

無刷同步發(fā)電機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)子上的電流由勵磁機(jī)通過旋轉(zhuǎn)整流提供，取消了電刷，所以其電流、電壓等運行參數(shù)不能直接測量，做 P—Q圖用到這些值時，我們只能用其它的辦法代替。

當(dāng)主機(jī)的勵磁電流增加時，如主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組直流電阻值相對固定，所需勵磁電壓也將成比例增加。對勵磁機(jī)而言，由于額定輸出時氣隙磁密很低，B-H曲線工作在線性部分，所以其電流分量和電壓分量均需同比例增加，這時合成的勵磁電流也會同比例增加。

從以上分析可知，主機(jī)勵磁電流和勵磁機(jī)勵磁電流成線性比例關(guān)系，可以用勵磁機(jī)的勵磁輸入電流做主機(jī)的P-Q圖。但有一點需要注意的是，整機(jī)做各種試驗時，主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫度必須一樣，這樣勵磁機(jī)勵磁電流才能真實反映主機(jī)勵磁電流的變化。主機(jī)轉(zhuǎn)子溫度升高后，繞組阻值變大，勵磁電流不變的情況下，勵磁電壓增大，合成勵磁電流增大。

4 繪制發(fā)電機(jī)P-Q圖

根據(jù)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行的制約因素，我們可以逐項繪制出發(fā)電機(jī)的運行界限，從而得到發(fā)電機(jī)的運行范圍。

4.1 求取額定負(fù)載時的勵磁機(jī)輸入電流

首先通過發(fā)電機(jī)空載特性試驗和短路特性試驗得到主機(jī)空載額定電壓時的勵磁機(jī)勵磁電流If1'，和主機(jī)短路額定電流時的勵磁機(jī)勵磁電流If2'，然后根據(jù)三角合成關(guān)系求得額定負(fù)載時的勵磁機(jī)輸入電流If'。 如圖2，△OHD與△OAB相似，在忽略電樞繞組阻抗的情況下，∠ODH=∠OBA=90°+φ，根據(jù)三角形余弦定理,可以求出If'。電機(jī)功率較小時，也可通過試驗直接得到If'，但這時的主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫度可能已發(fā)生變化，這時的If'未必與已得到的If1'，及If2'是同一狀態(tài)，所以不能使用。

4.2 建立功率坐標(biāo)系

以無功功率Q為橫坐標(biāo)，有功功率P為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，以前面得到的If'、If1'及If2'做勵磁機(jī)勵磁電流矢量合成三角形△OAB，并以B為原點，OB（If1'）為底邊放入功率坐標(biāo)系，如圖4。所有標(biāo)量均用標(biāo)么值表示。

圖3 發(fā)電機(jī)運行P-Q圖

4.3 繪制機(jī)組運行界限

BA(If2')代表額定電樞電流，以BA為半徑作圓是定子繞組溫升界限；OA(If')代表轉(zhuǎn)子額定勵磁電流，以O(shè)A為半徑作圓弧AD是轉(zhuǎn)子繞組溫升界限；由于原動機(jī)輸出額定功率的限制，所以從A點作水平線AC作為有功功率的輸出界限。發(fā)電機(jī)輸出超前無功時，勵磁磁勢（勵磁電流）的減小，將同比例降低電機(jī)的極限功率，我們要保持電機(jī)穩(wěn)定運行，就需要知道在不同的運行狀態(tài)時勵磁電流最小各應(yīng)該保持多少。根據(jù)公式（2），先求取靜態(tài)過載倍數(shù)

式中，kM—靜態(tài)過載倍數(shù)；θN—額定運行時的功率角。在忽略電樞阻抗的情況下，∠AOB可以認(rèn)為是功率角θN，從余弦定理求出其值，然后用式（2）求出靜態(tài)過載倍數(shù)。

發(fā)電機(jī)額定勵磁電流（OA）除以靜態(tài)過載倍數(shù)就是發(fā)電機(jī)輸出額定有功時轉(zhuǎn)子應(yīng)保持的最小勵磁電流（OE），以 OE為半徑作圓弧，與額定有功功率水平線的交點就是額定有功時能輸出的最大無功功率。以額定值為基礎(chǔ)，同比例減小有功功率和勵磁電流，就會有一系列交點，連接后就是靜態(tài)穩(wěn)定邊界（OC）。這樣，發(fā)電機(jī)的運行區(qū)域就是OCADO所包含的區(qū)域。

4.4 漏磁引起的定子端部溫升高的考慮

圖4中沒有考慮定子端部溫升的影響，原因是中小型電機(jī)轉(zhuǎn)子端部護(hù)環(huán)一般采用玻璃纖維材料，定子端環(huán)也很少用壓指，所以漏磁路磁阻很大，不會對定子端部溫升產(chǎn)生本質(zhì)的影響。

5 結(jié)語

本文分析了無刷隱極同步發(fā)電機(jī)主機(jī)和勵磁機(jī)之間相關(guān)電量的關(guān)系，及主機(jī)溫度變化對勵磁機(jī)線性傳遞的影響，總結(jié)得出用勵磁機(jī)勵磁電流作無刷隱極同步發(fā)電機(jī)P-Q曲線的簡易方法，達(dá)到了工程應(yīng)用的目的。從P-Q圖中也可看出，發(fā)電機(jī)設(shè)計的靜態(tài)過載倍數(shù)越高、空載額定勵磁電流越大（短路比越大），則發(fā)電機(jī)越能在更寬的范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。

[1]向婉芹,盛四清.大型汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)相運行特性分析與研究.華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[2]許實章.電機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社,1980.