同步发电机的运行范围

同步发电机组按其设计的最佳运行状态称为额定运行状态，额定参数包括电压、定子电流、容量、功率因数、转子电流、长期容许温度和冷却介质温度等。同步发电机在额定运行状态下，损耗小，效率高，转矩均匀，一般应使电机接近额定运行状态下运行，但在运行中时常要根据实际情况调整各参数，但不应超过允许范围。
　　在稳定运行条件下，发电机组的容许运行范围由下述条件决定：
　　定子绕组温升约束。定子绕组温升由定子绕组电流决定，在额定电压下，由发电机的额定视在功率所决定。发电机的三相绕组导体的截面积、发电机的冷却系统都是按照额定电流设计的，运行中的定子电流不可大于额定值。
　　励磁绕组温升约束。励磁绕组温升由励磁电流所决定，即由发电机的空载电势决定。发电机的励磁绕组截面积、冷却系统、励磁系统等是按照发电机额定运行条件下所需要的励磁电流-额定励磁电流而设计的，所以运行中的励磁电流不可大于它的额定值。
　　原动机输出功率约束。原动机的额定功率通常等于发电机的额定有功功率。原动机出力和发电机的电磁负荷及机械强度都是根据额定有功功率设计的，虽有一些裕度（过载能力），但运行中不宜超出P_N。另外，还有最小功率P_min的限制，运行时也不能小于此值。P_min的限制是由于原动机和锅炉（火电厂）的限制。汽轮机的最小允许功率约为额定值的10-20%，与汽轮机的类型和容量有关。水轮机的最小允许功率比汽轮机小一些。
　　进相运行时的静态稳定条件及定子端部温升的约束。一般发电机在进相运行时容易发生不稳定情况，这时就要限制输出的有功功率或吸收的无功功率。
　　现以汽轮发电机（隐极）为例，具体说明其允许的运行范围。额定运行条件下的相量图（不计定子电阻r）如图2-10所示，各相量均乘以相同的比例系数K。相量AO为额定电压UN的K倍，AM为额定电流的K倍，滞后UN的角度即为额定功率因数角，AN为额定空载电势E_qN的K倍，与额定励磁电流成正比。以O为原点作P-Q直角坐标系，使纵轴（P轴）垂直与AO。系数K=3U_N/x_d，则ON的长度为（3U_N/x_d）I_Nx_d=S_N，即发电机额定视在功率。ON在P及Q轴的投影，即为发电机的额定有功和无功功率。因此在P-Q坐标平面上，N为额定运行点。
　　发电机的功率因数不等于额定值下运行时，以定子电流（即视在功率）不超过额定值作为条件，运行点应限制在以O为圆心，以ON为半径的圆弧LNJ以内；以励磁电流不超过额定值作为条件，则运行点应限制在以A点为圆心，以AN为半径的圆弧NB之内；以不超过额定功率为条件，运行点应在水平线GFB以上。同时考虑上述四个条件，并在滞后功率因数负载情况下，P和Q的允许运行范围为FB-BN-NC-CF所包围的面积。
　　同步发电机进相运行时，定子和励磁绕组的额定电流不是限制因素，主要受定子端部发热的限制和受额定有功功率和最小允许有功功率的限制。进相运行的另一个限制因素是系统的运行稳定性。发电机带一定的有功功率时，吸收的无功功率愈大，励磁电流与其成正比的空载电势愈小。有功功率一定时，空载电势愈小，功率角愈大，因而系统稳定性愈差。但是稳定性不仅与发电机运行状态有关，还与整个系统的结构、参数、其他各台发电机运行状态以及发电机自动电压调节器的性能等相关，很难做出一般性结论。所以发电机进相运行的允许范围不像相位滞后运行那样具有确定性，图（1）中的进相运行范围CH-HG-GF是一个大致情况。图1 同步发电机允许运行范围