基于力学原理的同步发电机功率流向分析与调节

洪建兴 王 莉

（长庆油田公司水电厂，陕西西安710200）

0 引言

同步发电机是将热能、水能等通过机械传动带动发电机转子旋转，产生三相交流电源，并通过电能输送，实现对外做功的电气设备。

1 受力平衡分析

发电机正常工作时，从转子的受力情况分析，其主要受到原动机的驱动力、定子电流磁场转矩的阻力、各种摩擦阻力的作用。在这三种力的作用下转子受力是平衡的。其中原动机机械扭矩是主动力，电磁转矩和各种摩擦阻力是从动力，机械扭矩克服电磁转矩和摩擦阻力实现对外做功，将机械能转化为电能。

2 定子磁场受力分析

2.1 磁场及参考系的建立

设转子顺时针方向旋转，当并网成功并产生电枢反应时，某时刻定子电流的合成磁场如图1所示，上端S极，下端N极，并取该时刻定子磁场方向建立坐标系，当转轴上只加很小机械扭矩并和摩擦阻力平衡时，发电机无有功输出，其转子、定子磁场轴线重合，按照同极相斥的原理，转子N极向上，S极向下。磁力线从转子磁场N极发出，穿过空气隙进入定子磁场S极，下半段磁力线从定子磁场N极发出，穿过空气吸进入转子磁场S极。两对磁极相互牵引且同轴做着同步旋转运动。为方便分析，本文只讨论定子和转子一个磁极对的受力情况，另一个磁极对完全相同。

2.2 有功输出的力学特性

当有有功输出时，转子磁极轴线相较于定子磁极轴线超前并转过一个角度。如图2所示，此时转子对定子磁场的牵引力为F，将力F按照四边形法则分解，并分别进行分析。

图1 定子磁场剖面图

图2 有功输出受力图

F1=Fcos θ沿切线方向，定子磁场在该分力作用下做同步旋转运行。根据力的反作用原理，转子磁场受到大小相等、方向相反的力F′，同时受到原动机机械扭矩T和摩擦阻力。在扭矩T增加的过程中，转子愈加偏离平衡位置，力F及反作用力F′随着偏离平衡位置而逐渐增大，直至F′和摩擦力与原动机扭矩T相平衡，转子才能稳定于某个位置继续同步旋转。当θ=90°时，F1=0，发电机有功输出为零，随着偏离平衡位置愈远，电枢反应更加激烈，定子电流增大，磁场增强，力F逐渐增大，分力F1也相应增大，相应的原动机的扭矩也增大，发电机有功输出增加。

F2=Fsin θ沿法线方向并指向圆心，随着转子偏离，该分力逐渐减小，且始终与定子磁场旋转速度方向垂直，它不改变定子磁场速度，只改变速度方向，迫使定子磁场做圆周运动，故该力为电网提供无功功率。转子N极处于圆弧AB区域时发电机做迟相运行。

3 转子扭矩调节时的受力变化分析

转子扭矩增加及偏离平衡位置的过程中，其N极不但受到定子S极的牵引阻力，同时还受到定子N极的排斥阻力，且影响逐渐增大，到一定程度后对转子的影响将超过S极而处于主导地位。发电机的功率流向是克服这两个力做功的总体结果。

3.1 定子N极对转子的影响

随着相对角度的增加，转子对定子N极斥力沿法线方向的分力F4逐渐增加，到达B点位置时，如图3所示，F2=F4，转子对定子两个磁极沿法线方向的分力达到平衡状态（一个引力指向圆心、一个斥力背离圆心），处于该角度时，发电机综合无功输出为零，功率因素为1，即cos α=1。

图3 零无功受力图

3.2 超相运行力学特性

在B点若逐渐减小励磁电流，转子将进入BC圆弧区域，该区域定子N极和转子磁场间的斥力处于主导地位，斥力的分力F4沿法线方向指向外周，即转子磁场没有能够迫使定子磁场做圆周运动，而是在力F4的反方向做圆周运动。斥力沿切线方向的分力F3则推动定子磁场继续旋转，并输出有功功率。该阶段发电机从电网吸收无功功率，输出有功功率，处于超相运行阶段，其分界点为B点。

3.3 超相对磁力线的影响

随着超相深度的增加，转子N极距定子N极愈近，同极斥力迫使磁力线不能沿空气隙闭合，定子磁场形成很大漏磁，转子磁场在凸沿、端部处产生很大涡流，使机壳端部发热，引起机组过热，故随着超相深度的增加，机组端部发热愈加明显。

3.4 电机失步受力分析

假设转子磁极调整到达D点（事实上转子不可能通过C点到达D点，C点是同步发电机的稳定极限），如图4所示位置，此时同极斥力有迫使转子加速旋转的趋势，需给转子增加一个阻力扭矩才能保证发电机处于同步转速，但这是不可能实现的，此处是发电机的失步区域，所以C点是发电机同步运行的稳定极限，发电机做超相运行时须留有安全余量。

3.5 调相力学特性

转子在初始位置A点时，若完全关闭气门或水闸，转子将在摩擦阻力作用下跌入第二象限到达G点，如图5所示，此时定子磁场对转子磁极牵引力沿切线方向的分力与摩擦阻力达到平衡，即定子磁场将克服摩擦阻力牵引着转子做同步运转，发电机将从系统吸收并消耗部分有功功率。在该区域时两个磁极牵引力沿法线方向的分力仍旧迫使定子磁场向内做圆周运行，发电机向系统输送无功功率。图中AE区域为发电机的调相运行区域。

图4 失步受力图

图5 调相受力图

3.6 各象限功率流向

各象限功率流向如表1所示。

表1 各象限功率流向表

4 结语

综上所述，AB区域（第一象限）为迟相运行区域，转子磁极在该区域时发电机对电网输出有功和无功功率，发电机处于稳定运行阶段。BC区域（第四象限）为超相运行区域，该区域发电机对电网输出有功功率，但从电网吸收无功功率，发电机处于动态稳定阶段，且随着超相深度的增加，其稳定性越来越差，电机漏磁增加发热明显。AE区域（第二象限）为调相运行区域，在该区域时，发电机作为调相机运行，向系统输送无功功率，而需要消耗部分有功功率。CE区域（第三象限），发电机从电网同时吸收有功和无功功率，做电动机运行，无实际意义。

[1]王正茂，阎治安，崔新艺，等.电机学[M].西安：西安交通大学出版社，2000.