专题三十五 同步发电机的并联运行（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十五 同步发电机的并联运行 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 能准确复述同步发电机投入并联运行的四项核心条件，并解释每项条件的物理意义。 掌握准整步法的操作流程，能按顺序梳理 “调节电压→调节频率→检查相位→合闸并联” 的步骤，明确各环节调节的参数、使用的仪器及判断标准。 理解频率不等时同步发电机与电网并联的运行特性，能说明频率差对有功功率交换、转子转速变化及功率振荡的影响。 考纲解读—考试要求 能按顺序梳理操作步骤：调节励磁电流匹配电压→调节原动机转速匹配频率→观察相位差→合闸并联。 能阐述频率差对有功功率交换的影响：发电机频率高于电网时向电网输出有功功率，频率低于电网时从电网吸收有功功率。 能准确列出投入并联的四项核心条件：电压有效值相等、电压频率相等、电压波形相同、电压相位相同。 4 考纲解读—易考题型 学会对比分析两种并联方法的差异与适用场景。 简答题 理解频率不等时同步发电机与电网并联的运行规律。 论述题 掌握同步发电机投入并联运行的核心条件及物理意义。 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 同步发电机并联投入电网时,为了避免发生电流冲击和转轴突然受到扭矩,应使发电机每相电动势瞬时值一开始就保持相等。同步发电机并联运行的条件如下:(1)发电机的端电压与电网的电压相等 (2)发电机的频率与电网的频率相等。 (3)发电机的电压波形与电网电压波形相同。 (4)发电机的相序和电网的相序相同。 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 (5)并联合闸的瞬间,发电机与电网的对应相的电压应同相位,亦即发电机与电网回路的电位差(电压)为零。 事实上,当同步发电机安装完毕后,有的并联条件就已经具备。条件(3)和(4)可认为由设计、制造和安装同步发电机时就自动满足了。于是在投入并联运行时只要注意条件(1)、(2)(5)就可以了。 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 1.电压不等时的并联运行 若频率相同而电压不等,情况会怎样呢?例如,发电机电压UG大于电网电压U,如图6-28所示,电网用一个等效发电机A表示，B表示即将投入并联的发电机,开关的两端接电压表,则开关断开时,开关两端出现电位差U=UG-U,故在投入并联后,发电机和电网之间将出现环流，则 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 在UG和U的大小不等或相位差较大时甚至反相情况下 U就越大,这时产生的冲击环流可达到额定电流的4~6倍,这对电机是非常不利的。 电位差 U的大小与相位差β角有密切关系,β值愈大, U也愈大。 当β=180°时,U达到最大,为相电压的2倍。如果此时合闸并网,其冲击电流很大,有可能使发电机受到严重损坏。 当β=0时, U 便为零,这是合闸并网的最佳时刻。 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 2.频率不等时的并联运行 若电压相等而频率不同时,这两个电压合成后将在发电机和电网间出现一个大小和相位均不断随时间变化的电位差U,这个电位差称为拍振电压,会导致发电机不能正常工作。 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 频率不等时的并联运行,具体分析如下:当发电机的频率与电网频率不相等,假设>,而电压值已相等,即U2=U1,此时U2与U1的电位差 U为 U= = 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 由式(6-12)和图 6-29 可知,U瞬时值的幅值以()频率(称为拍频)在0~2√2U1之间往复变化,而其本身是一个 )频率的交流电势。 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 综上所述,并联合闸最理想的情况是电压相等、频率相同、相位相同。但在实际工作中,同步发电机要绝对满足并网运行的条件是困难的,所以只要求发电机与电网的频率相差不超过0.2%~0.5%:电压有效值相差不超过 5%~10%:相序相同且相位差不超过 10°,即可并联入网。 一、投入并联运行的条件 知识点梳理和重点概念复习 并联投入所进行的操作过程称为整步(并车),实际整步方法有两种,一种是准整步法,另一种是自整步法。 1.准整步法 把发电机调整到完全合乎投入并联条件后投入电网,这种方法称为准整步法。为判断是否满足投人条件,常采用同步指示器,最简单的同步指示器是由三组指示灯(称相灯)组成。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 (1)灯光熄灭法 将这三组指示灯接在电网和发电机并联开关的两侧,如图6-30(a)所示。要使并联合闸时没有冲击电流,在并联开关两侧就不能有电压差U,如果这些灯都熄灭了,就表示三相中任一相的电压差U均为0。此时就可以并联合闸，这种并联合闸的方法称为灯光熄灭法。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 运用灯光熄灭法并联合闸的具体操作方法是:把要并联的发电机拖动到接近同步转速,加上励磁并调节到发电机的电压与电网电压相等。如果这时相序正确,则在发电机的频率与电网频率有差别时,加在各相指示灯上的电压AU忽大忽小,使三组指示灯同时忽亮忽暗,其亮、暗变化的频率就是发电机与电网相差的频率。调节发电机的转速使灯光亮、暗频率很低时,就可以准备合闸。当闸刀两侧电位差为0、电压表指示数为0、三组指示灯全暗时,说明发电机与电网的相应电压相等并且同相位,并联运行条件已经满足,抓住这个时机迅速合闸,从而顺利完成并联合闸的操作。如果在整步过程中,三组灯轮流亮暗,表示发电机的相序与电网相序不同,此时绝对不能合闸投入,而应改变发电机的相序,然后重新整步。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 (2)灯光旋转法 如果相序是正确的,把两个灯接在不同的相序电压之间,如图6-30(b)所示,一组灯接在 VW之间,一组灯接在WV之间,此时在相序相同时,出现旋转的灯光,这时可以合闸投人。这样合闸法称为灯光旋转法。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 灯光熄灭法和灯光旋转法实际中都有采用,但由于灯光旋转法能判断发电机频率比电网频率高或低,所以更有实用价值。具体操作方法与灯光熄灭法相同。只是灯光依次亮、半亮,好像灯光按次序旋转。如果发电机对应的频率比电网频率高1Hz,则灯光每秒转一圈。如果发电机的频率低于电网频率,则灯光将按相反方向旋转。根据灯光的旋转方向,适当调节发电机的转速,使灯光旋转速度变得很低,此时,要掌握时机,在同一相上跨接的一组灯熄灭而另外两组灯亮度相同时刻迅速合闸,即可完成并联运行的合闸操作。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 采用上述灯光法并网时,有一个问题需要解决,就是白炽灯一般约在1/6额定电压时就不亮了。为了使合闸的瞬间更准确,在刀闸对应的两端之间接一个示零电压表作为发电机并网用的辅助仪表。也可以用“同步指示器”(一种专门用来并车的仪器)来准确找出合闸瞬间。此外,在并网过程中,各组灯泡上的电压可能出现2倍相电压,所以发电机相电压为220V时每组灯泡应当采用两个220V灯泡串联使用。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 如果发电机和电网电压较高时,就要采用电压互感器降压后再接到同步指示灯或仪表。这时发电机和电网的两个三相电压互感器必须具有相同的连接组。 二、并联投入的方法 这里值得注意的是,如果发电机的相序与电网相序不同,用灯光熄灭法连接时,三组灯若依次轮流亮暗(灯光旋转);用灯光旋转法连接时,三组灯若同时亮暗(灯光熄灭),这时是绝对不能并联合闸的。 知识点梳理和重点概念复习 准整步的优点是投入瞬间发电机和电网之间无电流冲击。 缺点是手续复杂。尤其电网电压和频率在变化时,用此法很难投入。 这种灯光指示整步法在现代的电厂中几乎淘汰,而代之以各种半自动或全自动并车装置,但它们的基本功能是一致的。后者只是根据整步的要求,应用一些电器和电子线路改为半自动和全自动操作而已。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 2.自整步法 为了迅速投人电网,可采用自整步投入法。这种方法是借助合闸后电机的自整步作用投入同步运行。其步骤是:先将励磁绕组经电阻短接后,把发电机拖到近于同步转速时,再把发电机投人电网,并立即加直流励磁,如图6-31所示。此时,电机转子依靠定子和转子主磁极间形成的自整步作用把转子自动投入同步。 二、并联投入的方法 知识点梳理和重点概念复习 自整步投入法的优点是操作简单、并车迅速。缺点是合闸和加人励磁时有电流冲击,但并不太危险。如果大容量机组因故障突然退出运行,要求另一台机组投人电网代替它时,由于这时电网的电压和频率极不稳定,要用准整步法投人很困难,用自整步法还是可行的。电压、相位不十分相同的两台发电机投入并联运行后,能自动调整相位进入正常运行的过程称为自整步。所以它普遍用于事故状态下的并车。 二、并联投入的方法 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：相序错误时，发电机与电网电压相位差会周期性达到180°，导致回路中产生极大的冲击电流，远超其他参数偏差的影响。 1.下列情况中，会导致同步发电机并联时产生巨大冲击电流的是（ ） A. 电压幅值差5% B. 频率差0.5Hz C. 相序错误 D. 相位差10° 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：有功功率的调节由原动机输入功率决定，增大原动机功率可使发电机转子加速，向电网输送更多有功；励磁电流主要调节无功功率。 2.同步发电机投入并联后，若想让其承担更多有功功率，应（ ） A. 增大发电机励磁电流 B. 减小发电机励磁电流 C. 增大原动机输入功率 D. 减小原动机输入功率 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：相位差180°时，发电机与电网电压反向，回路电压为两者幅值之和，此时合闸会产生回路中最大的冲击电流。 3.准整步法中，若发电机电压与电网电压相位差为180°时合闸，会产生（ ） A. 最大冲击电流 B. 最小冲击电流 C. 额定电流 D. 无冲击电流 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：自整步法无需精确调节频率和相位，操作简单快速，适合紧急情况下（如电网缺电时）发电机的快速投入并联。 4.下列关于自整步法的适用场景，说法正确的是（ ） A. 适用于大容量同步发电机 B. 适用于对并联速度要求低的场景 C. 适用于紧急情况下的快速并联 D. 适用于需要精确调节同步参数的场景 28 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：电压幅值高的发电机，会向电网输出感性无功功率，相当于给电网提供“无功支撑”，维持电网电压稳定。 5.当同步发电机与电网并联后，若发电机电压幅值高于电网电压幅值，发电机将（ ） A. 发出感性无功功率 B. 吸收感性无功功率 C. 发出容性无功功率 D. 吸收容性无功功率 29 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：同步指示器指针转动方向反映频率差，顺时针转动表明发电机频率高于电网频率，逆时针转动则表明发电机频率低于电网频率。 6.准整步法调节发电机频率时，若同步指示器指针顺时针缓慢转动，说明（ ） A. 发电机频率等于电网频率 B. 发电机频率高于电网频率 C. 发电机频率低于电网频率 D. 无法判断频率关系 30 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：自整步法需在定子绕组合闸后，待转子在冲击电流产生的电磁转矩作用下，转速接近同步转速时再加励磁，可使转子快速拉入同步，避免冲击过大。 7.同步发电机自整步法中，给转子加励磁的时机是（ ） A. 发电机定子绕组与电网合闸前 B. 发电机定子绕组与电网合闸的同时 C. 发电机定子绕组与电网合闸后，转子转速接近同步转速时 D. 任意时机均可 31 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：冲击电流与电压幅值差、频率差、相位差正相关，减小相位差可直接降低合闸瞬间的电压差，从而减小冲击电流；增大参数差或忽略相序会增大冲击电流。 8.下列哪项措施可减小同步发电机并联时的冲击电流（ ） A. 增大电压幅值差 B. 增大频率差 C. 减小相位差 D. 忽略相序检查 32 常考习题练习与讲解—填空题 答案：同步转速 解析：接入电网初期，转子在电磁转矩作用下加速，若过早通入励磁电流，会因转速差过大产生冲击电流；只有当转速接近同步转速时通入励磁电流，才能利用同步转矩使转子平稳牵入同步，避免冲击。 1.自整步法中，发电机接入电网后，需等待转子转速接近__________时，再给励磁绕组通入励磁电流，使转子牵入同步。 33 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电压波形相同 解析：若电压波形不同（如一方为正弦波，一方为非正弦波），会直接产生谐波电流，对设备造成损害，且这种问题无法通过调节其他参数解决。而频率、电压、相位的差异可在波形相同的基础上，通过后续调节修正，因此波形相同是首要前提。 2.同步发电机投入并联的首要条件是__________，若该条件不满足，即使其他参数匹配，也会产生谐波电流损坏设备。 34 常考习题练习与讲解—填空题 答案：频率差 解析：同步指示器指针的旋转速度与频率差成正比。频率差越小，发电机与电网的相位变化越缓慢，指针旋转速度就越慢；当频率差为零时，指针静止不动，表明频率完全匹配。 3.准整步法中，同步指示器指针旋转速度越慢，说明发电机与电网的__________越小，越接近并联条件。 35 常考习题练习与讲解—填空题 答案：适时通入励磁电流 解析：自整步法无需像准整步法那样精确调节电压和频率，其核心操作是在发电机接入电网后，待转子转速接近同步转速时，适时给励磁绕组通入励磁电流，利用同步转矩使转子牵入同步。若通入时机不当，会导致同步失败或产生冲击电流。 4.自整步法成功并联的关键是__________，而非精确调节电压和频率，这是其与准整步法的核心区别。 36 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：自整步法中，发电机接入电网后，需先依靠电网电压在励磁绕组中感应的电流产生电磁转矩，带动转子加速。只有当转子转速接近同步转速时，通入励磁电流才能使转子顺利牵入同步；若立即通入，会产生较大冲击电流，无法正常同步。 1.自整步法中，发电机接入电网后，应立即给转子励磁绕组通入励磁电流。（ ） 37 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：相位差为 180° 时，发电机与电网的电压方向完全相反，并联瞬间的电压差为两者电压之和（约为 2 倍额定电压）。根据欧姆定律，电压差最大时，冲击电流也最大，可能对设备造成严重损坏。 2.同步发电机并联时，相位差为 180° 会产生最大冲击电流。（ ） 38 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：同步发电机投入并联的首要条件是电压波形相同。若波形不同，即使其他参数满足，也会产生谐波电流，直接损坏设备；而频率、电压、相位的差异可在波形相同的基础上通过调节修正，因此波形相同是首要前提。 3.同步发电机投入并联的首要条件是电压频率相等。（ ） 39 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：同步指示器指针的旋转速度与频率差成正比。频率差越小，发电机与电网的相位变化越慢，指针旋转越缓慢；频率差越大，相位变化越快，指针旋转越迅速，可通过指针转速判断频率差大小。 4.准整步法中，同步指示器指针旋转缓慢，说明发电机与电网的频率差较小。（ ） 40 常考习题练习与讲解—简答题 答案：准整步法的操作步骤：​ ①调节发电机励磁电流，使发电机电压有效值与电网电压有效值相等（通过电压表或同步指示器判断）；​ ②调节原动机转速，使发电机频率接近电网频率（通过频率表或同步指示器指针转速判断，指针旋转越慢，频率差越小）；​ ③通过同步指示器观察相位差，待相位差接近零时，闭合发电机与电网的断路器，完成并联。 1.准整步法的操作步骤是什么？ 41 常考习题练习与讲解—简答题 答案：自整步法的操作流程：​ ①断开发电机励磁回路，将转子励磁绕组经限流电阻短路；​②将发电机定子绕组通过断路器接入电网；​③依靠电网电压在励磁绕组中感应的电流产生电磁转矩，带动转子加速；​④当转子转速接近同步转速时，切除励磁绕组的短路电阻，给励磁绕组通入额定励磁电流；​ ⑤转子在同步转矩作用下牵入同步，完成并联。 2.自整步法的操作流程是什么？ 42 常考习题练习与讲解—简答题 答案：电压波形不同产生谐波电流的原因：​ 若发电机与电网电压波形不同（如一方为正弦波，一方含高次谐波），波形中谐波成分的频率、幅值存在差异，会打破回路的谐波平衡。根据电路原理，不同频率的谐波成分会在回路中形成独立的电流回路，进而产生谐波电流。 3.同步发电机并联时，电压波形不同为何会产生谐波电流？ 43 常考习题练习与讲解—简答题 答案：频率差过大导致功率振荡的原因：​ 频率差反映发电机与电网的转速差，频率差越大，转子转速与同步转速的差距越大。转子转速变化会导致发电机感应电动势的相位不断变化，进而使发电机与电网间的有功功率、无功功率随相位差周期性变化，形成功率振荡。 4.同步发电机并联运行中，频率差过大为何会导致功率振荡？ 44 重点复习知识点： 1.同步发电机与电网成功并联需满足：①电压有效值相等；②电压频率相等；③电压波形相同；④电压相位相同。四项条件缺一不可，否则会引发设备损坏或系统不稳定问题。 2.频率差会导致发电机与电网间相位差周期性变化，进而使有功功率、无功功率随之周期性波动，形成功率振荡。频率差越大，振荡频率越高，严重时会导致电网电压、频率不稳定，甚至引发发电机失步。 3.准整步法通过精确调节发电机参数，使电压、频率、相位与电网完全匹配后合闸，最大限度降低冲击电流，保证平稳并联。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 45 $