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发电机无功功率随有功功率变化情况的分析

     《电机学》一书中详细阐述了调节发电机有功功率和无功功率时两者之间的相互影响,最终得出一个众所周知的结论,即调节无功时,有功不变,调节有功时,无功反方向变化。但是在实际生产过程中,绝大多数机组,在没有人为干预的情况下,调节有功时,无功功率基本不会出现《电机学》理论中所描述的那种规律发生反方向变化的,当然不排除轻微反方向变化以及无功不变的现象出现,但是大多数情况下两者是同方向变化的,即增加有功,无功也增加,减少有功,无功也减少。这种现象引起了不少疑问,在此便详细分析一下实际生产过程中,机组的无功功率到底是如何随着有功功率变化的,为什么会出现与理论书中结论相反的情况。
二.无功变化的理论分析
  
(一)纯电机角度的分析:
    第一种方法利用电枢反应的原理进行分析,如果忽略励磁调节器的话,在《电机学》的同步电机电枢反应章节中有提到,增加无功,有功不变,增加有功,无功变小。这是因为,励磁如果是恒定不变的,那么在增加有功的时候,励磁用于交轴电枢反应的部分就多了,因为有功功率是靠电机的交轴电枢反应来实现的,那么用于直轴电枢反应的部分就少了,而无功功率正是由直轴电枢反应来实现的,这样加有功的时候无功就会降低,当然电压也就会适当降低。等于是固定不变就那么多的励磁电流,要么用作交轴反应来实现有功,要么就用作直轴反应来实现无功,在加有功时,交轴电枢反应用的励磁多了,那么励磁分给直轴电枢反应来实现无功的部分就少了。所以由于电枢反应,增加有功功率会产生去磁作用,最终导致发电机欠磁,无功功率降低,电压降低。
    第二种方法利用发电机功角变化来进行分析,前提同样是励磁保持恒定,发电机能否送出无功以及送出无功的多少与电压差ΔU有关,这个电压差ΔU是指发电机的电动势E0和端电压UN的同相部分的电压差,注意是同相部分的电压差,具体可参照《电机学》中的同步发电机迟相运行时的相量图,相量图是以发电机端电压UN为一个参考相量,即NU为一个垂直向上的箭头,其保持固定不动。电动势E0在UN箭头的逆时针侧,且为一个长度大于UN的箭头,两者之间形成一个夹角δ即发电机功角。所谓同相部分的电压差,就是指把E0箭头向参考量UN或者说是垂直轴上的一个投影,这个投影的长度比UN箭头要长,E0箭头在垂直轴上的投影长度减去UN箭头的长度即为两者同相部分的电压差ΔU,只有这个电压差才会产生无功电流,并且是电压差ΔU越大,发电机输出的无功功率就越大,如果电压差ΔU变小,则发电机输出的无功功率就减小。又根据发电机功角特性可知,当发电机送出有功功率时,电动势E0就与端电压UN错开一个δ角即发电机功角,当有功越大时,δ角越大,此时可以想象E0又往逆时针的方向转了一个更大的角度,那么它在垂直轴上的投影高度就更短了,所以用它减去UN所得到的无功电压差ΔU就变小了,因而无功自动减小,当然电压也就会适当降低。反之,当有功减小时,功角δ也随之减小,无功会自动增加,电压也会适当升高。
    总之,无论从纯电机的任何一个方面去推论,前提只要励磁电流是恒定不变的,也就是忽略励磁调节器的作用,有功增加时,发电机无功出力就会自动减小,在外界无功用户不变的情况下,则会出现无功缺额,发电机电压会出现下降现象,直到外界用户在电压下降时所耗无功自动减小重新与发电机无功出力达到平衡,电压则会下降到一个新的平衡点稳定运行。反之有功减少时,无功出力会自动增加,在外界无功用户不变的情况下,则会出现无功过剩,发电机电压会出现升高现象,直到外界用户在电压升高时所耗无功自动增加重新与发电机无功出力达到平衡,电压则会升高到一个新的平衡点稳定运行。