同步发电机振荡分析与处理方法

当同步发电机接到功率为无穷大电网上运行时，发电机端电压U和频率f则固定不变了。从功角特性公式得出，在一定的励磁电流下，当同步发电机的输入功率变化时，电机的电磁功率PM发生变化，功率角δ也随之发生变化。但由于机组转动部分的惯性，功率角δ不可能立即变到新的稳定状态，需经过若干次衰减振荡后，才能达到新的稳定数值。功率角δ的振荡反应转子转速围绕着同步转速上、下振荡。这种转子的振荡会引起定子电流和功率的振荡，从而导致定子电流的有效值和铜耗增加。振荡严重时可能导致转子失去同步，使电机无法正常工作。

1.同步发电机振荡的物理过程

设同步电机原先以稳定的同步角速度Ω1旋转，当时的功率角为δa，相应的电磁转矩Ta与扣除损耗后的有效输入转矩T1a相平衡，即Ta=T1a。现将原动机的有效输入转矩突然增大到T1b，此时系统中的原平衡被破坏，电机转子开始加速运转，一直到新的位置0b才重新平衡。功率角由原来的δa增为δb，而产生了更大的电磁转矩Tb，此时Tb=T1b。由于电机的转子有机械惯性存在，在δb处其瞬时角速度大于Ω1，使其继续向前移动。此时电磁转矩T大于有效输入转矩T1b，使电机转子一直在减速旋转，直到功率角达到δc位置为止，转速回到初始值Ω1，此过程如图3.48所示。但同步电机转子处于0c处时，其电磁转矩Tc远大于有效输入转矩T1b，又导致转子产生减速运行而使δ值减小，当δ再次减小到转矩平衡点δb时，由于减速使其瞬时值低于Ω1而使功率角δ继续减小。假设发电机转子上没有阻尼转矩存在，则此发电机转子将持久在δa～δc区域振荡。由于实际存在机械和电气损耗，所以振荡幅度渐趋衰减，最后在平衡位置δb稳定运行。

事实上，同步发电机均装设阻尼绕组。在振荡过程中，阻尼绕组中将出现感应电势和电流，并形成电磁转矩。当转子转速高于同步速时，电磁转矩起制动作用；而当转子转速低于同步转速时，电磁转矩又具有驱动作用。因此，采用阻尼绕组能大大抑制同步电机的振荡。

图3.48　由同步电机功角特性说明振荡现象

（a）磁极位置；（b）电磁功率及转矩的变化(www.xing528.com)

通过以上分析可知，由电机本身惯性引起的振荡，振荡频率决定于电机的机械和电磁参数，称为自由振荡。若转子受到周期性外转矩的作用，引起转子按照交变转矩的频率振荡，称为强制振荡。当同步发电机由转矩不均匀的原动机拖动运行时，将发生强制振荡。在最严重的情况下，同步发电机同时存在上述两种振荡，并且自由振荡与强制振荡的频率相接近而引起共振现象，这时对电机存在极大的危险以致损坏电机。

2.振荡运行时各表计的指示情况

（1）定子电流表指针剧烈摆动，电流可能超过正常值。振荡的发电机与其他电机之间出现电动势差，在其作用下产生了环流；由于转子转速的摆动，其转矩和功率时大时小，造成环流也时大时小变化，定子电流表指示就来回摆动；环流加上原来的负荷电流，定子电流有可能超出正常值。

（2）发电机电压表指针剧烈摆动，并经常降低。振荡时功角的变化引起电压摆动。电流的增加，阻抗压降增大，导致电压下降。

（3）有功功率表在全刻度范围内摆动。振荡时发电机输出的功率随功角时大时小变化，造成功率表指示全刻度范围内摆动。

（4）转子电流表、电压表指针在正常值附近摆动。

振荡时，定子磁场和转子间有相对运动，在转子绕组中感应交流电流，又叠加在励磁电流上，使电流表、电压表指针在正常值附近摆动。