调相运行及调相机实践技巧

在电力系统中，80%左右的电能消耗于异步电动机用于转换成机械能来拖动生产机械、且系统中还有许多的变压器进行升压和降压，它们运行时都需要吸收感性的无功功率。如果仅靠同步发电机在向电力系统输送有功功率的同时再供给感性无功功率，往往不能满足电力系统对感性无功功率的需求。因此，系统中还必须有能提供无功功率的电源，如电容器、同步电动机、调相机等。

1.同步电机的可逆原理

同步电机和其他旋转电机一样具有可逆性，既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，完全取决于它的输入功率是机械功率还是电功率。以一台已投入电网运行的隐极同步电机为例，说明其从同步发电机过渡到同步电动机运行状态的物理过程，以及其内部各电磁物理量之间的关系变化。

如前所述，同步电机运行于发电机状态时，其转子主磁极轴线超前于气隙合成磁场的等效磁极轴线一个功率角δ，这时转子磁极拖着合成等效磁极以同步转速旋转，如图3.44（a）所示。这时发电机产生的电磁制动转矩与输入的驱动转矩相平衡，将原动机输入的机械功率转变为电功率输送给电网。因此，此时电磁功率PM和功率角δ均为正值，励磁电动势0超前于电网电压一个δ角度。

若逐步减小发电机的输入功率，转子将瞬时减速，功率角δ减小，相应的电磁功率PM也减小。当功率角δ减小到零时，相应地电磁功率也为零，发电机的输入功率只能抵偿发电机的空载损耗，此时发电机处于空载运行状态，并不向电网输送功率，如图3.44（b）所示。

若进一步减小发电机的输入功率，则δ和PM变为负值，电机开始从电网吸收有功功率来克服空载制动转矩，产生驱动的电磁转矩。如果再卸掉原动机，电机过渡为空载运行的电动机，此时空载损耗全部由电网输入的电功率来供给。如果在电机轴上加上机械负载，则功率角δ的绝对值将增大，从电网吸收的电功率和对应的电磁功率也将增大，以平衡电动机的输出功率。此时，功率角δ为负值，即0滞后于，主极磁场落后于气隙合成磁场，转子受到一个驱动性质的电磁转矩作用，如图3.44（c）所示。

2.调相运行及调相机

图3.44　同步发电机过渡到同步电动机的过程

（a）发电机；（b）过渡状态；（c）电动机

电网中的主要负载是异步电动机和变压器，它们所需的励磁电流必须由电网提供。因此，电网除了供给这些感性负载必要的有功功率之外，还需要供给很大一部分感性无功功率，从而使电网的功率因数降低。功率因数越低，则发电机的容量越得不到充分利用。同时，当感性无功功率通过输电线路传输时，线路中的电压降和损耗也将增大。如果能在适当的位置装上调相机，就地补偿负载所需的感性无功功率，就能显著地提高电力系统的经济性与供电质量。

同步调相机实际上就是一台在空载运行情况下的同步电动机。它从电网吸收的有功功率仅供给电机本身的损耗，因此同步调相机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。忽略调相机的全部损耗，则电枢电流只有无功分量，电动势平衡方程式可简化为

图3.45　同步调相机的相量图

（a）正常励磁状态；（b）过励状态；（c）欠励状态

根据此公式，绘制出过励和欠励时同步调相机的相量图，如图3.45所示。由图可见，过励状态时，电流超前90°；而欠励状态时，电流滞后90°。因此，只要调节励磁电流，就能灵活地调节无功功率的性质和大小。由于电力系统对感性无功功率需求量加大，故调相机通常运行在过励状态。

同步调相机的额定容量是指它在过励状态下的视在功率，这时的励磁电流称为额定励磁电流。考虑到稳定等因素，欠励状态时的容量约为过励状态时额定容量的50%～65%。同步调相机一般采用凸极式结构，由于转轴上不带机械负载，因此在机械结构上要求较低，转轴较细，且没有过载能力的要求，静态过载倍数也可以小些，因此相应地可以减小气隙和励磁绕组的用铜量。启动方法与同步电动机相同。

小　结(www.xing528.com)

并列于无穷大容量的电力系统运行的同步发电机，调节励磁电流，就能调节输出的无功功率。仅调节励磁电流时，同步发电机输出的有功功率不变，但会影响发电机的静态稳定性。

同步电机的U形曲线是反映当保持同步发电机输出有功功率不变时，定子电流随励磁电流变化的关系曲线。

忽略定子绕组电阻时，同步电机的电磁功率决定于功角δ，电动机和发电机在运行上区别主要是δ角的符号：δ＞0°时是发电机运行状态；δ＜0°时是电动机运行状态；而δ=0°时为调相机运行状态，此时既可看成是空载运行的同步电动机，又可看成是发出无功功率的无功发电机。

习　题

（1）什么是U形曲线？什么时候是正常励磁、过励磁和欠励磁？一般情况下发电机在什么状态下运行？

（2）一水电厂供应一远距离用户，为改善功率因数添置一台调相机，此机应装在水电厂内还是在用户附近？为什么？

（3）一台隐极同步发电机，SN=31250kVA，UN=10.5kV（Y接法），cosφN=0.8（滞后），定子每相同步电抗xt=7Ω，定子绕组电阻忽略不计，发电机与无穷大电网并联运行。试求：

1）发电机在额定状态下运行时的功角δ，电磁功率PM，励磁电动势E0。

2）发电机在额定状态下运行，将其励磁电流加大10%时，δ、PM、cosφ和定子电流I（不考虑磁路饱和）？

（4）当cosφ=0.5时，用户需要1000kW，试决定：

1）供给此用户的发电机的kVA容量。

2）如果添设一台调相机完全补偿无功功率，求它的容量及发电机供给的容量。

3）如果只将发电机的cosφ提高到0.8，求调相机的容量及发电机供给的容量？

综合实训

1.实训目标

掌握三相同步发电机并联运行时无功功率的调节。

2.实训要求

（1）测取当输出功率等于0时三相同步发电机的U形曲线。

（2）测取当输出功率等于0.5倍额定功率时三相同步发电机的U形曲线。