第20章同步电机的非正常运行2.ppt

第二十章 同步发电机的非正常运行,20-7 同步发电机空载三相突然短路分析,本节的要点： 1 三相突然短路与稳态短路的区别和联系 2 空载三相突然短路后定子绕组中电流的主要分量的特点及相应磁通的磁路 3 掌握上述电流分量对应的电抗与衰减时间常数的表达式和等效电路,三相突然短路与稳态短路,突然短路！！ 先有电势后短路稳态短路： 短路后缓慢建立电势1 突然短路概述,突然短路的物理概念 条件： 同步速，有励磁与感应电势 类别: 空载三相、单相、两相突然短路 定子绕组内部短路（相间、匝间） 空载三相突然短路与稳态短路对比 突然短路电流往往十倍以上（事故） 稳态短路电流1倍左右（正常试验）,1 突然短路概述,突然短路的基本思路 突然短路后： 什么电势？ 什么阻抗？ 什么电流？ 如何衰减？,1 突然短路概述,2 从实例看R-L电路暂态分析的一般原理,1）合闸后电流的两个分量 强制分量 自由分量 后者是无源分量，流过 电阻消耗能量后要衰减 衰减时间常数,,,,2 从实例看R-L电路暂态分析的一般原理,1）合闸后电流的两个分量 强制分量 自由分量 后者是无源分量，流过 电阻消耗能量后要衰减 衰减时间常数,,,,2 从实例看R-L电路暂态分析的一般原理,1）合闸后电流,,,,-,1,0,0,,1,0,,,,,,,强制分量,自由分量,,2）R-L电路(零初始值)过渡过程的特点,（1）有源(强制)分量从t=0时刻就存在 （2) 强制分量初值如果不等于零，就会出现自由分量，两者初值大小相等方向相反，使线圈电流不发生突变。

（3）自由分量没有电源支持，属于“无源感应电流”，会衰减 （4）没有电源支持的自由分量衰减时间常数决定于所圈电阻与电感3) R-L电路换路定律的推广,电感线圈电流不突变的实质是磁场能量不突变磁场能量的等效表示方式如下： 从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可以适合于多线圈的情况 换路定律可以理解为各线圈的磁链不突变，或各截面上的磁通不突变，甚至可以理解为各处的磁密不突变3 两个耦合线圈过渡过程的特点,,将单线圈的分析方法推广至耦合线圈,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,,,,,1）问题描述,在铁心上有两个线圈（设想为单相变压器），其中二次闭合，一次突然合闸到直流电源 （1）分析一次电流有哪些分量，对比其磁路与衰减时间常数与单线圈的区别 （2）分析二次电流变化趋势，它对一次电流的磁路有何影响参见耦合线圈图,,,2) 线圈1中的电流分量,与单线圈相似，合闸后直流电压U作用于闭合回路，立即出现有源电流分量 为保证电流与磁通不突变，会立即出现无源感应分量，其初始值满足 与单线圈的区别可能在哪里？(时间常数),,,3)副边短路线圈对原边电流的影响,（1）对原边电流所产生磁通的磁路的影响 线圈1中电流所产生的突然出现的磁通要穿过线圈2，导致感应电流i2(1)的出现，阻碍线圈2中磁通的变化，使其在合闸瞬间维持不变，于是线圈1中合闸后立即出现的电流所产生的磁通在合闸后的一小段时间内只能走漏磁路。

磁路从漏磁路向主磁路的转移,i2(1)是无电源支持的感应电流，必然要衰减随着它的逐渐衰减，对磁通的阻碍作用减小，使得磁路逐渐从线圈2的漏磁路转变为主磁路 这样，线圈1中有源强制分量i1(1)产生的磁通对应磁路的磁阻减小，磁导增加，电感变大2) 闭合线圈对时间常数的影响,决定无源分量衰减时间常数的电阻与电感 电阻：线圈1的电阻r1 电感：从线圈1的出线端观察所呈现的等效电感 等效电抗的确定方法 借助双绕组变压器副边短路的等效电路 忽略激磁支路和副边的电阻计算等效电感的等效电路,线圈1无源分量衰减时间常数的等效电感 该电感显著小于线圈2开路时的等效电感4 同步发电机三相突然短路分析,4.2 空载三相短路后定子绕组中主要的电流分量,同步发电机空载三相短路后的物理过程比较复杂定子绕组中的电流分量较多 本节重点分析其中的主要分量： 有源强加分量，其频率等于电源频率； 无源的直流衰减分量1）突然短路电流的周期分量,空载时，定子绕组中产生对称三相感应电势 与 三相突然短路后必产生对称三相电流 性质：有源（强加）电流,；其频率同电势，突然短路电流的周期分量 大小：取决于感应电势与闭合电路的阻抗。

忽略电阻，取决于电抗A +j,,,,,2）突然短路电流的非周期分量,根据A、B、C三相绕组电流不能突变的原理，在三相绕组中必然产生无源感应电流分量其初始值满足：,,,周期分量属于无源感应电流，所以要衰减，因此，属于突然短路电流的非周期分量以下进一步研究与的初始值及其衰减情况周期分量与非周期分量分别记为 与 其初始值满足,4.3 电枢绕组突然短路电流 周期分量的初始值,1) 突然短路瞬间定子的感应电势 设短路瞬间转子位置如图2, 将该瞬间取为时间零点，容易推导出定子三相绕组感应电势为：,,,,2) 周期分量对应的磁路与电抗,(1) 电枢电流周期分量形成的磁场 忽略电阻的影响，突然出现的对称三相电流必落后于电势90度； 所产生的旋转磁场，转速为同步速，转向与转子相同, 相对于转子位置不变； 根据时空相－矢量图确定该旋转磁场相对于转子位置相互位置特点：三相合成磁势与A相电流相量在同一方向上，如图 显然电枢磁势轴线与励磁磁势矢量在同一轴线（d轴）上，但方向相反2) 磁势矢量：时空相－ 矢量图,3)电枢突然短路电流及其初始值,(1) 定子瞬态电流的表达式,得到直轴超瞬态电抗后，与稳态短路时的情况相似，可以根据定子绕组的感应电势与电流的关系，得到定子瞬态电流的表达式。

2) 定子瞬态电流的初始值,定子瞬态电流周期分量初始值为 由此可以得到定子瞬态电流非周期分量（直流衰减分量）的初始值,,,阻尼绕组结构示意图,摘自华中科技大学电机学 精品课网站,一个磁极的实际结构,在图中磁极的极靴 部分有6个槽，其中 共计6根铜条，连同 其两端起连接作用 的铜环（图中未画 出），共同构成一 个磁极的阻尼绕组,两极电机阻尼绕组简化结构示意图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,阻尼条1,阻尼条3,阻尼条2,阻尼条4,端环,1,2,3,4,将阻尼绕组进行简化后，每个磁极只有两个阻尼条，两极电机四个阻尼条通过端环构成阻尼回路,两极电机阻尼绕组示意图,两极电机四个阻尼条及端环构成以d轴为轴线的d轴阻尼绕组，和对称于q轴q轴阻尼绕组.,d轴、q轴阻尼绕组的等效回路,d,d轴阻尼绕组的回路：,q轴阻尼绕组的回路：,回路1,回路2,1-1’-4’-4,2-2’-3’-3,回路1：1-2-2’-1’ 回路2：4-3-3’-4’,（3）突然短路后阻尼绕组励磁绕组感生电流使磁力线只能经转子漏磁路闭合,突然短路后阻尼绕组电流刚开始衰减时磁路磁力线路径示意图,磁力线路径 定子铁心（忽略） 气隙 阻尼绕组漏磁路 励磁绕组漏磁路 阻尼绕组漏磁路 气隙 定子铁心（忽略）,,,,,,,等效电路与电抗,稳态短路时，定子磁场在转子励磁绕组及阻尼绕组中均不产生感应电势，所以转子侧绕组相当于开路，对应于同步电抗,r,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（3）稳态短路与突然短路初瞬 电枢磁场磁力线路径的对比,稳态短路走转子主磁路 相当于变压器副边开路,突然短路初瞬走转子漏磁 路相当于变压器副边短路,,,稳态短路与突然短路初瞬定子电流交流分量的等效电路与参数,稳态短路磁通走主磁 路，磁阻小，电抗大,突然短路磁通走漏磁 路，磁阻大，电抗小,计算直轴超瞬态电抗的等效电路,,式中，电枢绕组漏电抗 同步电机的电枢反应电抗 励磁绕组漏电抗 直轴阻尼绕组漏电抗,直轴超瞬态电抗,突然短路后阻尼绕组电流衰减后 磁力线路径示意图,直轴瞬态电抗,显然，如果没有阻尼绕组或阻尼绕组不起作用，则等效电抗为 称直轴瞬态电抗，标么值0.2左右,,4.4 突然短路电流的衰减,1）电枢电流非周期分量的衰减 电枢电流非周期分量没有相应电源支持，随着电阻消耗能量，必然衰减。

它形成在空间固定不动的磁场,随着转子的旋转，其磁通交替地经过直轴与交轴的磁路闭合从定子绕组的出线端观察，所呈现出的等效电抗近似取为直轴与交轴等效电抗的平均值 直轴方向等效电抗,突然短路-电枢磁势非周期分量-1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,A,A,X,,Fa,.,,~,=,Fa,.,突然短路-电枢磁势非周期分量-2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,=,Fa,.,,,S,N,,,,突然短路-电枢磁势非周期分量-3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,=,Fa,.,,,,=,Fa,.,,,,,,,,,,,1’,3’,4’,,1,3,4,2’,1,2,3,4,,突然短路-电枢磁势非周期分量-2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,A,A,X,,=,Fa,.,N,S,突然短路-电枢磁势非周期分量-4,.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,=,Fa,,.,,,=,Fa,,,,,,,,,,,,,,2,1,3,4,1’,2’,3’,4’,4,3,1,2,(1) 电枢电流非周期分量对应的电抗,在交轴方向没有闭合的励磁绕组，只有电枢绕组和等效的阻尼绕组。

所以，等效电抗与 不同，记为 取二者的平均值 这也是在分析稳态不对称运行时所采用过的负序电抗计算直轴超瞬态电抗的等效电路,(2) 非周期分量衰减的时间常数,电枢电流非周期分量衰减的时间常数为 是电枢绕组短路时间常数,2) 电枢电流周期分量的衰减,(1) 周期分量为什么会衰减 短路后突然出现的电枢电流周期分量的磁通要穿过闭合的阻尼绕组和励磁绕组，所以，在其中会产生感应电势与感应电流，阻止相应磁通的变化 由于所感应的电流没有电源，所以，随着两个绕组的电阻消耗能量，这些电流也要衰减2) 转子电流衰减过程的两个阶段,阻尼绕组电流比励磁绕组电流衰减得快，时间常数记为 ； 当其衰减到可以忽略的程度，就相当于阻尼绕组开路，励磁绕组电流开始衰减,时间常数记为 计算直轴超瞬态电抗的等效电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,计算直轴超瞬态电抗的等效电路,突然短路后电枢电流的表达式,,。