6.4 同步发电机的并联运行教学要求：
1．熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法
2,掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、
功率及转矩平衡方程式
3．掌握有功功率和无功功率的调节
4．理解V形曲线的物理意义并联运行的优点：
1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。
2.增加供电的可靠性。
3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。
4.系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，互相起补偿作用。
5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理一、发电厂投入并联时的理想条件：
发电机电压的瞬时值＝电网电压瞬时值
6.4.1 投入并联的条件和方法我们知道由发电厂生产的电能首先考虑的就是并网运行，然后供给各个用户，那么这里就存在着一个很重要的问题，就是在怎样的条件下，发电机才能并网运行？
3,发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决定于原动机的转向，一般是固定的）
4,在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的扭矩。并联合闸必须满足四个条件：
1,发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种：50Hz或60Hz，我国为50Hz）
2,发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致那么，如果上述条件不满足，将会怎样呢？
1）如果电压的有效值不等：
～
02
E
Ｘ
02
E
Ｘ
h
I
U
UUU?=Δ
1
产生一个电压差：
当开关K闭合时再整个回路中必然出现瞬态冲击电流。
2） 如果频率不等,同理，在频率不相等的情况下并网运行，也将会产生瞬态冲击电流，进一步延伸，当相序不同的时候，显见，不能进行并网运行！
3） 如果 发电机的电压相序与电网的电压相序不同
BG
U
AG
U
CG
U
2
3
X
U
I
N
h
3
=
三、三相同步发电机的并联方法
1）直接接法（灯光熄灭法）
GS
ω
SA
U
SB
U
SC
U
GB
U
GA
U
GC
U
1
U
Δ
2
U
Δ
3
U
Δ
13
2
V
A
S
A
G C
G
B
S
C
S
B
G
GS
3~
电网每组灯的电压当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象
a) 频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化现象，
说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改变发电机频率。
b) 电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端电压。
c) 相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电机与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接线。
d) 相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需微调节转速。
.
UΔ随着两组相量旋转速率不同,的大小发生改变，在 0～ 2U之间作周期性变化，所以灯时亮时暗。
灯光闪烁的次数决定于两组相量间的相对速率。
ωω ≠
1
1
AA
1
BB
1
CC
A
U
.
Δ B
U
.
Δ
C
U
.
Δ
?而如果频率不相等时,则两组相量以不同的角速度旋转，即,因此存在着相对运动,如图所示。
此时两组相量端点的距离,,分别表示三个灯上所承受的电压,,
并网的步骤：
1) 调节发电机的转速，使发电机的频率接近于电网频率（调整直流电动机的励磁，从指示灯的明暗变化快慢判断转速是否接近同步转速） 。
2) 调节同步发电机的励磁，使发电机的电压等于电网的电压（从示零电压表或指示灯判断）。
3) 重复1)和2)。
4) 当指示灯熄灭，示零电压表读数为零，迅速合上并网开关，将发电机并联到电网上。
2）灯光旋转法
13
2
V
A
S
A
G
C
G
B
S
C
S
B
G
GS
3~
电网此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相灯熄灭时，
另两个相灯亮度一样；另外可根据灯光旋转方向判断频率大小。
第 2,3组灯交叉连接灯2和3交叉接于发电机的端点，不难想象，灯1熄灭，而2，
3同时明亮时，应该是发电机和电网完全重合时，即同相位，同频率，同大小，可以合闸。 而当频率不相等或不同相时，又是怎样的呢？
？
=Δ
=Δ
=Δ
BGCS
CGBS
AGAS
UUU
UUU
UUU
3
2
1
即发电机和电网的角速度ω
s
,ω
G
不相等，其中，
令 U
As
,U
Bs
,U
Cs
表示电网电压,U
AG
,U
BG
,U
CG
表示发电机电压。
A、频率不等时每组灯的电压,
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
（１）
1
2
3
（２）
1
2
3
（３）
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
（４）
1
2
3
（５）
1
2
3
（６）
正因为我们所看到的是旋转的灯光因此叫做 灯光旋转法 。
这显然不是我们所希望看到的，可以通过调整发电机的转速，以达到改变频率的目的
（ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） （ 6）
1
2
3
最亮最亮最亮
1
2
3
SG
ωω >
B、相序不同时,进行并网运行时，如果我们看到的是三个灯同时明暗，则可断定发电机和电网的相序肯定不同。因为我们采用的是交叉接法，如果相序是对的，应该是依次旋转的，而现象却是同时明暗，这就证明实际上是直接接法，这时只需调换发电机接到开关K上B、C两相的接法，就可以改正相序。
总结：
a) 在直接接法中：频率不同时，灯光是同时明灭的，相位不同时，是旋转的
b) 在交叉接法中：当频率和相位不相同时，灯光是依次旋转的。
利用同步指示灯进行并联的方法，在现代的电厂中已不再采用，而代之以各种半自动或全自动的并车装置，不过它们的基本功能还是一致的。
合闸瞬间必须注意的是：励磁绕组必须通过一限流电阻短接起来。
因为励磁绕组如果开路，将在励磁绕组中感应出危险的高电压；
励磁绕组如果直接短路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流，
3）自整步（自同步）法自同步法的优缺点优点：操作简单，能在紧急情况下将发电机迅速并入电网；
缺点：合闸时有冲击电流。
6.4.2 同步发电机功率平衡一、功率平衡方程式输入功率：P
1
=P
em
+p
mec
+p
Fe
+p
ad
电磁功率：P
em
=p
cu
+P
2
功率平衡,P
1
=p
mec
+p
Fe
+p
cu
+P
2
在发电机中，定子铜耗是极小的一部分，为了分析简单，常常忽略，因此：
P
em
=P
2
=mUIcosφ
同步发电机中有哪些损耗？
正常运行时转子有没有铁耗？
输入功率
1
P
电磁功率
em
P
输出功率
2
P
定子铜耗
cu
p
附加损耗
ad
p
铁心损耗
Fe
p
机械损耗
mec
p
同步发电机有功功率的流程图二、转矩平衡
P
1
=P
em
+（p
mec
+p
Fe+
p
ad
）
由此可见：
P
1
P
em
（ p
mec
+p
Fe
+p
ad
）
ω ωω
+
T
1
=T
em
+T
0
稳定运行时，驱动转矩＝制动转矩
6.4.3 同步发电机的功角特性一,功角特性的定义功角,端电压和励磁磁势之间的相位差，一般用θ
表示，也有用δ表示。
功角特性,发电机有功功率或无功功率与功角之间的关系称为同步发电机的功角特性,P
em
=f(θ )。
无功功率的功角特性,Q=f(θ )
二,功角的物理意义在空间上：合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。
d
I
q
I
IR
U
I
θ
qq
jI X
dd
jI x
0
E
.
E
δ
.
jI X
σ
ψ
i
θ
B
δ
i
θ
f
F
NS
i
θ
N
0
主磁极气隙合成磁场的磁极
S
在时间上：端电压和励磁磁势之间的相位差三、隐极同步发电机的功角特性
U
I
0
E
S
jIX
ψ
em
cos cos( )
cos cos sin sin
P mUI mUI
mUI mUI
ψθ
ψ θ ψθ
==?
=+
sin cos
s
UIXθ ψ=
θ
ψθ sincos
0 s
IXUE =?
0
sin
cos
cos
sin
s
s
U
I
X
EU
I
X
θ
ψ
θ
ψ
=
=
U
I
0
E
S
jIX
ψ
em 0
cos cosP mUI mE I?ψ==
sin cos
s
UIXθ ψ=
θ
sin
cos
s
U
I
X
θ
ψ =
或：
0
cos cosUE?ψ=
M
P
θ
1
2
2f
i
1f
i
请比较 和的大小
1f
i
2f
i
隐极同步电机的功角特性表达式,显然，当功角=90
0
时，电磁功率达到最大值。
0
em
sin
s
EU
Pm
X
θ=
最后：可得
090
0
180
0
s
em
X
UE
mP
0
max
=
θsin
1
0
1 s
em
X
mUEP
T
Ω
=
Ω
=
即式中，P
em
单位是W；Ω
1
单位是rad/s； T 单位是N·m。
它正比于 E
0
（即励磁电流）,反比于同步电抗。
从功角特性可以决定电磁转矩与功角之间的关系，由此可以得出相应的电磁转矩，为四、凸极同步发电机的功角特性
cos cos sin sinmUI mUIψ θ ψθ=+
如同隐极电机功角特性推导方法一样，可以得到凸极同步发电机的功角特性。如果略去电阻损耗，
cos( )mUI ψ θ=?
cos
em
PmUI?=
cos sin
qd
mUI mUIθ θ=+
d
I
q
I
U
I
ψ
q q
jI X
dd
jI x
0
E
.
Q
E
.
q
jI X
ψ
θ
0
sin
cos
qq
dd
IX U
IX E U
θ
θ
=
=?
0
sin
cos
q
q
d
d
U
I
X
EU
I
X
θ
θ
=
=
'''
2
0
0
2sin)
11
(
2
sin
sin
cos
cos
sin
emen
dqd
dq
em
PP
XX
U
m
X
UE
m
X
UE
mU
X
U
mUP
+=
+=
+=
θθ
θ
θ
θ
θ
式中 为基本电磁功率； 为附加电磁功率
'
em
P
''
em
P
最后，可得：
0
E
f
i
第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起的,与励磁电势 成正比，称为励磁电磁功率 。
第二项在隐极机中不存在，与 无关，与端电压 即合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即,
称作凸极电磁功率
U
dq
XX≠
f
i
θθ 2sin)
11
(
2
sin
2
0
dqd
em
XX
U
m
X
UE
mP?+=
a
F
a
F
a
B
和的空间相位不同
aq
B
ad
B
aq
F
ad
F
a
B
d轴
q轴
a
F
ad
F
aq
F
ad
B
aq
B
a
B
ad aq
Λ>Λ
凸极机的功角特性曲线
M
P
θ
180
0
090
0
0 90
附加电磁功率基本电磁功率
E
0
=0时，θ的定义？相量图？
θ
θ的定义：电压U相量和q轴间的夹角
d轴
q轴
U
I
q q
jI X
dd
jI X
q
I
d
I
'
T
''
T
'''
1
2
1
0
1
2sin)
11
(
2
sin
TT
XX
mU
X
mUEP
T
dqd
M
+=
Ω
+
Ω
=
Ω
= δδ
电磁转矩式中 为基本电磁转矩； 为附加电磁转矩，又称磁阻转矩。
6.4.4 有功功率的调节静态稳定概念一、有功功率的调节已知，在忽略铜耗的前提下，
P
em
=P
2
=mUIcosφ
而 P
em
和P
1
从功角特性可以看出是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，从功率平衡的观点来看,只有增加原动机的输入功率P
1
。
（１）调节励磁电流不能调节有功功率
0
em
sin
s
EU
Pm
X
θ=
例如I
f
增加，则 E
0
增加,P
em
增加，制动性质的电磁转矩增加，发电机减速,θ 减小,P
em
减小，回到原来的功率平衡。
（2）调节原动机的功率来调节发电机的有功功率增加原动机的输出功率，则 T
1
>T
em
+T
0
，发电机加速,θ 增加,P
em
增加，发电机的输出功率增加。
减少原动机的输出功率，则 T
1
<T
em
+T
0
，发电机减速,θ 减少,P
em
减小，发电机的输出功率减小。
二、同步电机的稳定运行问题同步发电机输出容量的大小，不仅受到发热的限制，而且受到运行稳定性的限制。
稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。
稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系统，在正常负载调配和不正常事故中，这些电机或电厂是否还能保持同步运行的问题。
（1）静态稳定问题：发电机在某一稳定运行状态，（即发电机和电网并联运行时，电压U和频率f
都为恒定值，励磁电流I
f
不变，其输入功率和输出功率都不变的运行状态），如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小干扰，在此小干扰去掉后，
发电机如能恢复到原来的稳定运行状态，即认为该发电机的运行是稳定的。
（2）动态稳定问题：发电机突然 加负载、切除负载等正常操作运行时，或者在发生突然短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非正常运行，以及遭受到大的或是一定数值参数变化或负载变化时，电机是否还能保持同步运行的问题。
090
0
180
0
θ
T
1）在a点,P
1
=P
em
，即输入P
1
和输出P
em
相等，电机稳态运行
a
2）来一个干扰，假定使得P
1
增加到P
1
',显然电机的转速将增大，因为功角和转速成正比关系变化，所以，功角也将增大,推出P
em
也增大,这样一来，我们可以看出在b点电机将达到一个新的平衡点，从而继续稳定运行。
b
P
1
T
1
n
θ
P
em
新的平衡点 b
090
0
180
0
θ
T
a‘
３）设原来运行在下降段，(在
a’点)。来一个干扰，假定使得P
1
增加到P
1
′,显然电机的转速将增大，功角增大,而
P
em
减小,这样一来，转速进一步增加,发电机不能 在下降段 达到一个新的平衡点 。
b’
P
1
T
1
n
θ
P
em
不能平衡点
1maxem
PP=
1）当功角在 0
0
---90
0
之间变化时，发电机有自动保持同步的能力，是 发电机稳定运行区域 。在稳定运行范围内，电磁功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改变的，永远以同步速旋转。
2）而在 90
0
—180
0
之间，电机是 不稳定运行 的，在功角=90
0
时，输入的机械功率到达与最大电磁功率相等，即由此可以推出,对隐极发电机，
结论：对于同步发电机
d
0
d
em
P
θ
>
0
dT
dθ
>
发电机是静态稳定的，
或,静态稳定。
d
0
d
em
P
θ
<
0
dT
dθ
<
发电机是静态不稳定的,
或,静态不稳定。
时为静态稳定极限 。
d
0
d
em
P
θ
=
max maxem
m
NN
TP
k
TP
==
max
T
maxem
P
N
T
N
P
m
k
最大转矩 （或最大电磁功率 ）与额定电磁转矩 （或额定电磁功率 ）之比称为过载能力，
用 表示：
三、发电机的过载能力
m
k
隐极机,一般为 1.5～ 2左右。
max
1
sin
em
m
NN
P
k
P θ
==
一台同步发电机并联于无穷大电网，
（滞后），如果保持激磁电流不变，在负载功率减为原来的75%
时，求这种情况下的功角θ、功率因数cosφ及电枢电流I的标么值
（设 ）。 8.0,0
*
==
Sa
XR
8.0cos,1,1
**
===
N
IU?例题
335.0
17888.1
18.0
4
3
4
3
sin
**
0
**
=
×
××
==
UE
XP
Sem
θ
0
.
*
.
*
*
01
8.0cos
∠=
==≈
UU
IUPP
Nem
为基准相量，即以
＊＊＊
解：
00*
.
*
.
*
.
*
0
55.207888.11)6.08.0(01 ∠=×?+∠=+= jjXIjUE
S
空载电动势：
θsin
4
3
*
**
0
*
t
em
x
UE
P =
负载减为原来3/4时：
0
57.19=θ
功角：
685.0
1
1
57.19cos
1
17888.1
cos
2
0
*
2*
*
**
0*
=?
×
=?=
tt
x
U
x
UE
Q δ
6589.0
685.0)8.0
4
3
(
8.0
4
3
)
4
3
(
4
3
cos
222*2*
*
=
+×
×
=
+
=
QP
P
em
em
无功功率：
功率因数：
91.0
6589.01
8.0
4
3
cos
4
3
*
*
*
=
×
×
==
U
P
I
em定子电流：
6.4.4 无功功率的调节和V形曲线一、无功功率的调节有功功率的调节通过调节原动机的输入功率P
1
来实现。若励磁电流不变，改变发电机的有功功率，无功功率也会改变，但发电机无功功率的调节一般通过改变发电机的励磁电流来实现。
2
0
cos
sin
a
em
s
P mUI
UE
Pm
X
θ
==?
==
常数或常数
0
cos
sin
a
I
E
θ
=
=
常数常数为简便起见，在调节无功功率时，假定发电机输出的有功功率不变，于是：
由于 m、U、X
s
均是定值，所以当发电机输出一定的有功功率并保持不变
0
E
U
I
S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
E
0
的变化必须满足在CD
直线，而相应的I的变化必须在AB线上。
E
0
sinθ=常数
Icosφ=常数
cos
1）当I与U同相，
即 =1。此时发电机向电网输出的全部功率都是有功功率，无功功率为零，
此时的电枢电流为最小值，
所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流。
0? =
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
2）增加励磁电流，则空载电动势E
0
相应增加，看图可见，电枢电流由I
1
,I
2
,电动势变化到E
02
，此时整个系统出现了无功电流，并且是滞后，即 此时发电机将向外输出滞后性的无功功率，整个状态我们称之为过励。
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
02
E
2
I
2 S
jIX
3）减小励磁电流，则电动势亦减小（在正常励磁电流对应的情况下），由图可见，此时电流超前，即向外输出 超前性质的无功功率的电流，整个状态我们称之为欠 励 。 由上可见,对于无功功率的调节，可以通过对励磁电流的调节实现 。
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
03
E
3
I
3 S
jIX
二、同步发电机的V型曲线
cos 1? =
将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画成曲线，
此曲线称V形曲线，曲线的最低点对应的,
电枢电流最小，此时的励磁电流为正常励磁电流，如果增大则进入过励，输出滞后的无功电流；反之为欠励，
输出超前的无功电流。
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
03
E
3
I
3 S
jIX
02
E
2
I
2 S
jIX
= 0
m
P
正常励磁超前欠励滞后过励
=cos 0.8
=cos 1
()=cos 0.8
不稳定区发电机的V形曲线
'
em
P
"
em
P
"'
em
P
I
f
I
0
一台汽轮发电机并联于无穷大电网,S
N
=31250kVA，
U
N
=10.5kV,cosφ
N
=0.8(滞后 ),Y接线,X
S
=7.0Ω,R
a
=0,求：
① 发电机在额定状态下运行时，功角θ、电磁功率 P
em
、比整步功率
P
syn
及过载能力 K
m；
② 若维持上述激磁电流不变，但输出有功功率减半时，θ,P
em
、
P
syn
及 cosφ将为多少？
③ 发电机在额定状态下运行，现仅将激磁电流增加 10%（假定磁路不饱和），θ,P
em
,P
syn
,cosφ及定子电流 I 将变为多少？
例题
A
U
S
I
N
N
N
3.1718
5.103
31250
3
=
×
==解：(1)额定电流
0
87.368.0arccos ==
N
额定功率因数角
V0178.60620
3
10500
0
3
000
.
∠=∠=∠=
N
U
U
额定相电压：
(V) 93.3593.16398
787.363.1718178.6062
0
0
...
0
∠=
×?∠+=+= jXIjUE
SN
空载相电动势：
0
93.35=
N
θ
功角：
kW250008.031250cos =×=≈
NNem
SP?电磁功率,
MW/rad 5.34
93.35cos
7
178.606293.163983
cos
0
0
=
××
==
N
S
syn
X
UmE
P θ
比整步功率：
704.1
93.35sin
1
sin
1
0
===
N
M
K
δ
过载能力：
θθ sin
7
178.606293.163983
sin
kW125001025000
2
1
2
1
0
'
3'
××
==
=××==
S
em
emem
X
UmE
P
PP
(2)电磁功率：
0
06.17=θ
功角：
MW/rad8.40
06.17cos
7
178.606293.163983
cos
0
0
=
××
== θ
S
syn
X
UmE
P
比整步功率：
kvar9.24980cos
2
0
'
=?=
SS
X
mU
X
UmE
Q θ
无功功率,
45.0)
12500
9.24980
cos(arctan)cos(arctancos
'
'
===
em
P
Q
功率因数：
θθ sin
7
178.606293.1639831.1
sin
1.1
1025000
0
"'
3"'
×××
==
×==
S
em
emem
X
UmE
P
kWPP(3)电磁功率：
0
2.32=θ
功角：
72.0)
25000
9.23907
cos(arctan)cos(arctancos
"
"
===
em
P
Q
功率因数：
A2.1909
72.0178.60623
1025000
cos3
3"
=
××
×
==
U
P
I
em
定子电流,
kvar9.23907cos
1.1
"
2
0
=?=
SS
X
mU
X
UmE
Q θ无功功率：
该题也可用标么值计算
1．熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法
2,掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、
功率及转矩平衡方程式
3．掌握有功功率和无功功率的调节
4．理解V形曲线的物理意义并联运行的优点：
1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。
2.增加供电的可靠性。
3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。
4.系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，互相起补偿作用。
5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理一、发电厂投入并联时的理想条件：
发电机电压的瞬时值＝电网电压瞬时值
6.4.1 投入并联的条件和方法我们知道由发电厂生产的电能首先考虑的就是并网运行，然后供给各个用户，那么这里就存在着一个很重要的问题，就是在怎样的条件下，发电机才能并网运行？
3,发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决定于原动机的转向，一般是固定的）
4,在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的扭矩。并联合闸必须满足四个条件：
1,发电机频率等于电网的频率（各国电网频率大致有两种：50Hz或60Hz，我国为50Hz）
2,发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致那么，如果上述条件不满足，将会怎样呢？
1）如果电压的有效值不等：
～
02
E
Ｘ
02
E
Ｘ
h
I
U
UUU?=Δ
1
产生一个电压差：
当开关K闭合时再整个回路中必然出现瞬态冲击电流。
2） 如果频率不等,同理，在频率不相等的情况下并网运行，也将会产生瞬态冲击电流，进一步延伸，当相序不同的时候，显见，不能进行并网运行！
3） 如果 发电机的电压相序与电网的电压相序不同
BG
U
AG
U
CG
U
2
3
X
U
I
N
h
3
=
三、三相同步发电机的并联方法
1）直接接法（灯光熄灭法）
GS
ω
SA
U
SB
U
SC
U
GB
U
GA
U
GC
U
1
U
Δ
2
U
Δ
3
U
Δ
13
2
V
A
S
A
G C
G
B
S
C
S
B
G
GS
3~
电网每组灯的电压当不满足并网条件时，暗灯法所见的现象
a) 频率不等：相灯将呈现同时暗、同时亮的交替变化现象，
说明发电机与电网的频率不同，需调节原动机转速从而改变发电机频率。
b) 电压不等：三个相灯没有绝对熄灭的时候，而是在最亮和最暗范围闪烁，需调节励磁电流从而改变发电机的端电压。
c) 相序不等：三个相灯明暗呈交替变化状态，说明发电机与电网的相序不同,需对调发电机或电网的任意两根接线。
d) 相角不等：三组相灯不同时熄灭，不能合闸并网，需微调节转速。
.
UΔ随着两组相量旋转速率不同,的大小发生改变，在 0～ 2U之间作周期性变化，所以灯时亮时暗。
灯光闪烁的次数决定于两组相量间的相对速率。
ωω ≠
1
1
AA
1
BB
1
CC
A
U
.
Δ B
U
.
Δ
C
U
.
Δ
?而如果频率不相等时,则两组相量以不同的角速度旋转，即,因此存在着相对运动,如图所示。
此时两组相量端点的距离,,分别表示三个灯上所承受的电压,,
并网的步骤：
1) 调节发电机的转速，使发电机的频率接近于电网频率（调整直流电动机的励磁，从指示灯的明暗变化快慢判断转速是否接近同步转速） 。
2) 调节同步发电机的励磁，使发电机的电压等于电网的电压（从示零电压表或指示灯判断）。
3) 重复1)和2)。
4) 当指示灯熄灭，示零电压表读数为零，迅速合上并网开关，将发电机并联到电网上。
2）灯光旋转法
13
2
V
A
S
A
G
C
G
B
S
C
S
B
G
GS
3~
电网此方法比暗灯法容易实现并网操作，一个相灯熄灭时，
另两个相灯亮度一样；另外可根据灯光旋转方向判断频率大小。
第 2,3组灯交叉连接灯2和3交叉接于发电机的端点，不难想象，灯1熄灭，而2，
3同时明亮时，应该是发电机和电网完全重合时，即同相位，同频率，同大小，可以合闸。 而当频率不相等或不同相时，又是怎样的呢？
？
=Δ
=Δ
=Δ
BGCS
CGBS
AGAS
UUU
UUU
UUU
3
2
1
即发电机和电网的角速度ω
s
,ω
G
不相等，其中，
令 U
As
,U
Bs
,U
Cs
表示电网电压,U
AG
,U
BG
,U
CG
表示发电机电压。
A、频率不等时每组灯的电压,
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
（１）
1
2
3
（２）
1
2
3
（３）
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
2
3
BS
U
AS
U
CS
U
BG
U
AG
U
CG
U
1
3
2
（４）
1
2
3
（５）
1
2
3
（６）
正因为我们所看到的是旋转的灯光因此叫做 灯光旋转法 。
这显然不是我们所希望看到的，可以通过调整发电机的转速，以达到改变频率的目的
（ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） （ 6）
1
2
3
最亮最亮最亮
1
2
3
SG
ωω >
B、相序不同时,进行并网运行时，如果我们看到的是三个灯同时明暗，则可断定发电机和电网的相序肯定不同。因为我们采用的是交叉接法，如果相序是对的，应该是依次旋转的，而现象却是同时明暗，这就证明实际上是直接接法，这时只需调换发电机接到开关K上B、C两相的接法，就可以改正相序。
总结：
a) 在直接接法中：频率不同时，灯光是同时明灭的，相位不同时，是旋转的
b) 在交叉接法中：当频率和相位不相同时，灯光是依次旋转的。
利用同步指示灯进行并联的方法，在现代的电厂中已不再采用，而代之以各种半自动或全自动的并车装置，不过它们的基本功能还是一致的。
合闸瞬间必须注意的是：励磁绕组必须通过一限流电阻短接起来。
因为励磁绕组如果开路，将在励磁绕组中感应出危险的高电压；
励磁绕组如果直接短路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流，
3）自整步（自同步）法自同步法的优缺点优点：操作简单，能在紧急情况下将发电机迅速并入电网；
缺点：合闸时有冲击电流。
6.4.2 同步发电机功率平衡一、功率平衡方程式输入功率：P
1
=P
em
+p
mec
+p
Fe
+p
ad
电磁功率：P
em
=p
cu
+P
2
功率平衡,P
1
=p
mec
+p
Fe
+p
cu
+P
2
在发电机中，定子铜耗是极小的一部分，为了分析简单，常常忽略，因此：
P
em
=P
2
=mUIcosφ
同步发电机中有哪些损耗？
正常运行时转子有没有铁耗？
输入功率
1
P
电磁功率
em
P
输出功率
2
P
定子铜耗
cu
p
附加损耗
ad
p
铁心损耗
Fe
p
机械损耗
mec
p
同步发电机有功功率的流程图二、转矩平衡
P
1
=P
em
+（p
mec
+p
Fe+
p
ad
）
由此可见：
P
1
P
em
（ p
mec
+p
Fe
+p
ad
）
ω ωω
+
T
1
=T
em
+T
0
稳定运行时，驱动转矩＝制动转矩
6.4.3 同步发电机的功角特性一,功角特性的定义功角,端电压和励磁磁势之间的相位差，一般用θ
表示，也有用δ表示。
功角特性,发电机有功功率或无功功率与功角之间的关系称为同步发电机的功角特性,P
em
=f(θ )。
无功功率的功角特性,Q=f(θ )
二,功角的物理意义在空间上：合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。
d
I
q
I
IR
U
I
θ
jI X
dd
jI x
0
E
.
E
δ
.
jI X
σ
ψ
i
θ
B
δ
i
θ
f
F
NS
i
θ
N
0
主磁极气隙合成磁场的磁极
S
在时间上：端电压和励磁磁势之间的相位差三、隐极同步发电机的功角特性
U
I
0
E
S
jIX
ψ
em
cos cos( )
cos cos sin sin
P mUI mUI
mUI mUI
ψθ
ψ θ ψθ
==?
=+
sin cos
s
UIXθ ψ=
θ
ψθ sincos
0 s
IXUE =?
0
sin
cos
cos
sin
s
s
U
I
X
EU
I
X
θ
ψ
θ
ψ
=
=
U
I
0
E
S
jIX
ψ
em 0
cos cosP mUI mE I?ψ==
sin cos
s
UIXθ ψ=
θ
sin
cos
s
U
I
X
θ
ψ =
或：
0
cos cosUE?ψ=
M
P
θ
1
2
2f
i
1f
i
请比较 和的大小
1f
i
2f
i
隐极同步电机的功角特性表达式,显然，当功角=90
0
时，电磁功率达到最大值。
0
em
sin
s
EU
Pm
X
θ=
最后：可得
090
0
180
0
s
em
X
UE
mP
0
max
=
θsin
1
0
1 s
em
X
mUEP
T
Ω
=
Ω
=
即式中，P
em
单位是W；Ω
1
单位是rad/s； T 单位是N·m。
它正比于 E
0
（即励磁电流）,反比于同步电抗。
从功角特性可以决定电磁转矩与功角之间的关系，由此可以得出相应的电磁转矩，为四、凸极同步发电机的功角特性
cos cos sin sinmUI mUIψ θ ψθ=+
如同隐极电机功角特性推导方法一样，可以得到凸极同步发电机的功角特性。如果略去电阻损耗，
cos( )mUI ψ θ=?
cos
em
PmUI?=
cos sin
qd
mUI mUIθ θ=+
d
I
q
I
U
I
ψ
q q
jI X
dd
jI x
0
E
.
Q
E
.
q
jI X
ψ
θ
0
sin
cos
dd
IX U
IX E U
θ
θ
=
=?
0
sin
cos
q
q
d
d
U
I
X
EU
I
X
θ
θ
=
=
'''
2
0
0
2sin)
11
(
2
sin
sin
cos
cos
sin
emen
dqd
dq
em
PP
XX
U
m
X
UE
m
X
UE
mU
X
U
mUP
+=
+=
+=
θθ
θ
θ
θ
θ
式中 为基本电磁功率； 为附加电磁功率
'
em
P
''
em
P
最后，可得：
0
E
f
i
第一项是励磁电流在气隙磁场中产生电磁力所引起的,与励磁电势 成正比，称为励磁电磁功率 。
第二项在隐极机中不存在，与 无关，与端电压 即合成等效磁极及纵横轴磁阻的差异有关即,
称作凸极电磁功率
U
dq
XX≠
f
i
θθ 2sin)
11
(
2
sin
2
0
dqd
em
XX
U
m
X
UE
mP?+=
a
F
a
F
a
B
和的空间相位不同
aq
B
ad
B
aq
F
ad
F
a
B
d轴
q轴
a
F
ad
F
aq
F
ad
B
aq
B
a
B
ad aq
Λ>Λ
凸极机的功角特性曲线
M
P
θ
180
0
090
0
0 90
附加电磁功率基本电磁功率
E
0
=0时，θ的定义？相量图？
θ
θ的定义：电压U相量和q轴间的夹角
d轴
q轴
U
I
q q
jI X
dd
jI X
q
I
d
I
'
T
''
T
'''
1
2
1
0
1
2sin)
11
(
2
sin
TT
XX
mU
X
mUEP
T
dqd
M
+=
Ω
+
Ω
=
Ω
= δδ
电磁转矩式中 为基本电磁转矩； 为附加电磁转矩，又称磁阻转矩。
6.4.4 有功功率的调节静态稳定概念一、有功功率的调节已知，在忽略铜耗的前提下，
P
em
=P
2
=mUIcosφ
而 P
em
和P
1
从功角特性可以看出是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，从功率平衡的观点来看,只有增加原动机的输入功率P
1
。
（１）调节励磁电流不能调节有功功率
0
em
sin
s
EU
Pm
X
θ=
例如I
f
增加，则 E
0
增加,P
em
增加，制动性质的电磁转矩增加，发电机减速,θ 减小,P
em
减小，回到原来的功率平衡。
（2）调节原动机的功率来调节发电机的有功功率增加原动机的输出功率，则 T
1
>T
em
+T
0
，发电机加速,θ 增加,P
em
增加，发电机的输出功率增加。
减少原动机的输出功率，则 T
1
<T
em
+T
0
，发电机减速,θ 减少,P
em
减小，发电机的输出功率减小。
二、同步电机的稳定运行问题同步发电机输出容量的大小，不仅受到发热的限制，而且受到运行稳定性的限制。
稳定问题又分为静态稳定和动态稳定两种。
稳定问题包括由若干个发电厂或发电机的电力系统，在正常负载调配和不正常事故中，这些电机或电厂是否还能保持同步运行的问题。
（1）静态稳定问题：发电机在某一稳定运行状态，（即发电机和电网并联运行时，电压U和频率f
都为恒定值，励磁电流I
f
不变，其输入功率和输出功率都不变的运行状态），如果在电网或原动机方面，突然发生一些微小干扰，在此小干扰去掉后，
发电机如能恢复到原来的稳定运行状态，即认为该发电机的运行是稳定的。
（2）动态稳定问题：发电机突然 加负载、切除负载等正常操作运行时，或者在发生突然短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非正常运行，以及遭受到大的或是一定数值参数变化或负载变化时，电机是否还能保持同步运行的问题。
090
0
180
0
θ
T
1）在a点,P
1
=P
em
，即输入P
1
和输出P
em
相等，电机稳态运行
a
2）来一个干扰，假定使得P
1
增加到P
1
',显然电机的转速将增大，因为功角和转速成正比关系变化，所以，功角也将增大,推出P
em
也增大,这样一来，我们可以看出在b点电机将达到一个新的平衡点，从而继续稳定运行。
b
P
1
T
1
n
θ
P
em
新的平衡点 b
090
0
180
0
θ
T
a‘
３）设原来运行在下降段，(在
a’点)。来一个干扰，假定使得P
1
增加到P
1
′,显然电机的转速将增大，功角增大,而
P
em
减小,这样一来，转速进一步增加,发电机不能 在下降段 达到一个新的平衡点 。
b’
P
1
T
1
n
θ
P
em
不能平衡点
1maxem
PP=
1）当功角在 0
0
---90
0
之间变化时，发电机有自动保持同步的能力，是 发电机稳定运行区域 。在稳定运行范围内，电磁功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改变的，永远以同步速旋转。
2）而在 90
0
—180
0
之间，电机是 不稳定运行 的，在功角=90
0
时，输入的机械功率到达与最大电磁功率相等，即由此可以推出,对隐极发电机，
结论：对于同步发电机
d
0
d
em
P
θ
>
0
dT
dθ
>
发电机是静态稳定的，
或,静态稳定。
d
0
d
em
P
θ
<
0
dT
dθ
<
发电机是静态不稳定的,
或,静态不稳定。
时为静态稳定极限 。
d
0
d
em
P
θ
=
max maxem
m
NN
TP
k
TP
==
max
T
maxem
P
N
T
N
P
m
k
最大转矩 （或最大电磁功率 ）与额定电磁转矩 （或额定电磁功率 ）之比称为过载能力，
用 表示：
三、发电机的过载能力
m
k
隐极机,一般为 1.5～ 2左右。
max
1
sin
em
m
NN
P
k
P θ
==
一台同步发电机并联于无穷大电网，
（滞后），如果保持激磁电流不变，在负载功率减为原来的75%
时，求这种情况下的功角θ、功率因数cosφ及电枢电流I的标么值
（设 ）。 8.0,0
*
==
Sa
XR
8.0cos,1,1
**
===
N
IU?例题
335.0
17888.1
18.0
4
3
4
3
sin
**
0
**
=
×
××
==
UE
XP
Sem
θ
0
.
*
.
*
*
01
8.0cos
∠=
==≈
UU
IUPP
Nem
为基准相量，即以
＊＊＊
解：
00*
.
*
.
*
.
*
0
55.207888.11)6.08.0(01 ∠=×?+∠=+= jjXIjUE
S
空载电动势：
θsin
4
3
*
**
0
*
t
em
x
UE
P =
负载减为原来3/4时：
0
57.19=θ
功角：
685.0
1
1
57.19cos
1
17888.1
cos
2
0
*
2*
*
**
0*
=?
×
=?=
tt
x
U
x
UE
Q δ
6589.0
685.0)8.0
4
3
(
8.0
4
3
)
4
3
(
4
3
cos
222*2*
*
=
+×
×
=
+
=
QP
P
em
em
无功功率：
功率因数：
91.0
6589.01
8.0
4
3
cos
4
3
*
*
*
=
×
×
==
U
P
I
em定子电流：
6.4.4 无功功率的调节和V形曲线一、无功功率的调节有功功率的调节通过调节原动机的输入功率P
1
来实现。若励磁电流不变，改变发电机的有功功率，无功功率也会改变，但发电机无功功率的调节一般通过改变发电机的励磁电流来实现。
2
0
cos
sin
a
em
s
P mUI
UE
Pm
X
θ
==?
==
常数或常数
0
cos
sin
a
I
E
θ
=
=
常数常数为简便起见，在调节无功功率时，假定发电机输出的有功功率不变，于是：
由于 m、U、X
s
均是定值，所以当发电机输出一定的有功功率并保持不变
0
E
U
I
S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
E
0
的变化必须满足在CD
直线，而相应的I的变化必须在AB线上。
E
0
sinθ=常数
Icosφ=常数
cos
1）当I与U同相，
即 =1。此时发电机向电网输出的全部功率都是有功功率，无功功率为零，
此时的电枢电流为最小值，
所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流。
0? =
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
2）增加励磁电流，则空载电动势E
0
相应增加，看图可见，电枢电流由I
1
,I
2
,电动势变化到E
02
，此时整个系统出现了无功电流，并且是滞后，即 此时发电机将向外输出滞后性的无功功率，整个状态我们称之为过励。
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
02
E
2
I
2 S
jIX
3）减小励磁电流，则电动势亦减小（在正常励磁电流对应的情况下），由图可见，此时电流超前，即向外输出 超前性质的无功功率的电流，整个状态我们称之为欠 励 。 由上可见,对于无功功率的调节，可以通过对励磁电流的调节实现 。
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
03
E
3
I
3 S
jIX
二、同步发电机的V型曲线
cos 1? =
将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画成曲线，
此曲线称V形曲线，曲线的最低点对应的,
电枢电流最小，此时的励磁电流为正常励磁电流，如果增大则进入过励，输出滞后的无功电流；反之为欠励，
输出超前的无功电流。
01
E
U
1
I
1 S
jIX
θ
ψ
A
B
C
D
03
E
3
I
3 S
jIX
02
E
2
I
2 S
jIX
= 0
m
P
正常励磁超前欠励滞后过励
=cos 0.8
=cos 1
()=cos 0.8
不稳定区发电机的V形曲线
'
em
P
"
em
P
"'
em
P
I
f
I
0
一台汽轮发电机并联于无穷大电网,S
N
=31250kVA，
U
N
=10.5kV,cosφ
N
=0.8(滞后 ),Y接线,X
S
=7.0Ω,R
a
=0,求：
① 发电机在额定状态下运行时，功角θ、电磁功率 P
em
、比整步功率
P
syn
及过载能力 K
m；
② 若维持上述激磁电流不变，但输出有功功率减半时，θ,P
em
、
P
syn
及 cosφ将为多少？
③ 发电机在额定状态下运行，现仅将激磁电流增加 10%（假定磁路不饱和），θ,P
em
,P
syn
,cosφ及定子电流 I 将变为多少？
例题
A
U
S
I
N
N
N
3.1718
5.103
31250
3
=
×
==解：(1)额定电流
0
87.368.0arccos ==
N
额定功率因数角
V0178.60620
3
10500
0
3
000
.
∠=∠=∠=
N
U
U
额定相电压：
(V) 93.3593.16398
787.363.1718178.6062
0
0
...
0
∠=
×?∠+=+= jXIjUE
SN
空载相电动势：
0
93.35=
N
θ
功角：
kW250008.031250cos =×=≈
NNem
SP?电磁功率,
MW/rad 5.34
93.35cos
7
178.606293.163983
cos
0
0
=
××
==
N
S
syn
X
UmE
P θ
比整步功率：
704.1
93.35sin
1
sin
1
0
===
N
M
K
δ
过载能力：
θθ sin
7
178.606293.163983
sin
kW125001025000
2
1
2
1
0
'
3'
××
==
=××==
S
em
emem
X
UmE
P
PP
(2)电磁功率：
0
06.17=θ
功角：
MW/rad8.40
06.17cos
7
178.606293.163983
cos
0
0
=
××
== θ
S
syn
X
UmE
P
比整步功率：
kvar9.24980cos
2
0
'
=?=
SS
X
mU
X
UmE
Q θ
无功功率,
45.0)
12500
9.24980
cos(arctan)cos(arctancos
'
'
===
em
P
Q
功率因数：
θθ sin
7
178.606293.1639831.1
sin
1.1
1025000
0
"'
3"'
×××
==
×==
S
em
emem
X
UmE
P
kWPP(3)电磁功率：
0
2.32=θ
功角：
72.0)
25000
9.23907
cos(arctan)cos(arctancos
"
"
===
em
P
Q
功率因数：
A2.1909
72.0178.60623
1025000
cos3
3"
=
××
×
==
U
P
I
em
定子电流,
kvar9.23907cos
1.1
"
2
0
=?=
SS
X
mU
X
UmE
Q θ无功功率：
该题也可用标么值计算
