第17章 同步电机的非正常运行(2)

1、第二节 本节的要点：本节的要点：1 1 掌握掌握与稳态短路的区别和联系。与稳态短路的区别和联系。2 2 掌握空载掌握空载。3 3 掌握上述电流分量对应的电抗掌握上述电流分量对应的电抗l突然短路的物理概念 条件： l同步速，有励磁电流，定子绕组有感应电势类别:l空载三相、单相、两相突然短路l定子绕组内部短路（相间、匝间短路）l空载三相突然短路与稳态短路的主要区别突然短路电流十倍以上，具有极大破坏性稳态短路电流1倍左右，属于正常试验项目l合闸后电流有两个分量l强制分量l自由分量l后者是无源分量，流过电阻消耗能量后得不到补充，要衰减。l衰减时间常数E(1)Uir(2)( )tUiter 1LR221

2、11222WLiiL1i1il分析方法：将单线圈的分析方法 推广至耦合线圈l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ll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1(1)1Uir1(2)01|Uir li2(1)i2(1)是无电源支持的感应电流，必然要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碍作用减小，使得磁路逐渐从线圈2 2的漏的漏磁路转变为主磁路。磁路转变为主磁路。l这样，线圈这样，线圈1 1中有源强制分量中有源强制分量i1(1)i1(1)产生产生的磁通对应磁

3、路的磁阻减小，磁导增加，的磁通对应磁路的磁阻减小，磁导增加，电感变大。电感变大。l决定无源分量衰减时间常数的电阻与电感决定无源分量衰减时间常数的电阻与电感 电阻：线圈电阻：线圈1 1的电阻的电阻r1r1 电感：从线圈电感：从线圈1 1的出线端观察所呈现的等效电感。的出线端观察所呈现的等效电感。l等效电抗的确定方法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。忽略激磁支路和副边的电阻。l线圈线圈1 1无源分量衰减时无源分量衰减时间常数的等效电感间常数的等效电感l该电感显著小于线圈该电感显著小于线圈2 2开路时的等效电感。开路时的等

4、效电感。1R1L2Ls smL1s sL211212111mmmL LLLLLLLLsssssl图图20-15a)为为 带阻尼绕组的同步发电机定、带阻尼绕组的同步发电机定、l转子绕组结构示意图。其中转子上除了转子绕组结构示意图。其中转子上除了l励磁绕组之外，还有阻尼绕组。阻尼绕励磁绕组之外，还有阻尼绕组。阻尼绕l组两端通过导电的短路环连接，使其始组两端通过导电的短路环连接，使其始l终构成闭合回路。终构成闭合回路。l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：电源频率的有源强加分量和无源的直流衰减分量。l空载时，定子绕组中产生对称三相感应电势

5、。三相突然短路后必产生对称三相电流，这是有源（强加）电流, 其频率为50赫兹，属于突然短路电流的周期分量。电流的大小取决于感应电势的大小和定子绕组闭合电路的阻抗。由于电阻对电流大小的影响可忽略，所以仅取决于电抗。l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：记为。ll由于属于无源感应电流，所以要衰减，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。0002|cosA tA tdEiiX l1) 1) 突然短路瞬间定子的感应电势突然短路瞬间定子的感应电势设短路瞬间转子位置如图2015a), 将该瞬间取为时间零点，容易推导出定子

6、三相绕组感应电势为：l突然出现的对称三相电流必产生突然出l现的旋转磁场，转速为同步速，转向与l转子相同,所以，相对于转子位置不变，l忽略电阻的影响，则电流落后于电势90度。同时，在时空相矢量图中三相合成磁势与A相电流相量在同一方向上，如图2015 b)。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。l电枢电流形成的旋转磁场的磁力线如图2016a)所示，可以看出：它试图穿过闭合的阻尼绕组与励磁绕组，使其中的磁力线增加。自然，在励磁绕组与阻尼绕组中会产生感应电势与感应电流阻碍其增加，两者作用的结果，使得励磁绕组与阻尼绕组闭合回路中的磁通在短路瞬间不发生突变，因此，电枢磁场的磁力线

7、只能走漏磁路。l从定子绕组的出线端向电机内部看的等效电抗，就相当于三绕组变压器第二、第三个绕组短路忽略电阻后所表现出的等效电抗，称为直轴超瞬态电抗。如图2016b)所示。dXsXadXfXKdX1111dSadfKXXXXXl图中， , 与 依次为同步电机的电枢反应电抗、励磁绕组及直轴阻尼绕组漏电抗。 a) a) b)b)图2016 电枢电流周期分量形成的旋转磁场的磁路及对应的电抗adXfXKXl根据图2016b)所示等效电路容易得到直轴超瞬态电抗的表达式由于励磁绕组及直轴阻尼绕组漏电抗的值都很小，所以直轴超瞬态电抗的标么值一般只有0.10.15。显然，如果没有阻尼绕组或阻尼绕组不起作用，则等

8、效电抗为称直轴瞬态电抗，标么值0.2左右。l得到直轴超瞬态电抗后，与稳态短路时l的情况相似，可以根据定子绕组的感应l电势 与 的关系，得到定子瞬态电流l的表达式AeAi0002sin(90 )2cos()AddEitXEtX l其初始值为由此可以得到定子瞬态电流周期分量的初始值0002sin(90 )2cos()AddEitXEtX l（1 1）电枢电流非周期分量）电枢电流非周期分量 的衰减的衰减l电枢电流非周期分量电枢电流非周期分量 是无源感应电流，在是无源感应电流，在电枢绕组中流动，形成在空间固定不动的磁场；电枢绕组中流动，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

9、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。其磁力线切割转子的励磁绕组轴的磁路闭合。其磁力线切割转子的励磁绕组和阻尼绕组。考虑到在直轴方向既有励磁绕组和阻尼绕组。考虑到在直轴方向既有励磁绕组又有阻尼绕组，从定子绕组的出线端观察，所又有阻尼绕组，从定子绕组的出线端观察，所呈现出的等效电抗也是呈现出的等效电抗也是 ，即与上述确定周期，即与上述确定周期l分量初始值所用等效电抗相同。分量初始值所用等效电抗相同。dXiil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。dXqX2Xl这

10、样，电枢电流非周期分量 衰减的时l间常数为l 电枢绕组短路时间常数。iaT21aXTRil 前面已经指出，由于前面已经指出，由于 产生的旋转磁场与转产生的旋转磁场与转l子同转速，所以，在转子绕组中不会由于切割子同转速，所以，在转子绕组中不会由于切割l作用而产生交变的感应电势与电流。但是，由作用而产生交变的感应电势与电流。但是，由l于短路后突然出现的磁通要穿过闭合的阻尼绕于短路后突然出现的磁通要穿过闭合的阻尼绕l组和励磁绕组，所以，在其中也会产生感应电组和励磁绕组，所以，在其中也会产生感应电l势与感应电流，阻止相应磁通的变化。考虑到势与感应电流，阻止相应磁通的变化。考虑到l励磁绕组与阻尼绕组中的电流也是没有电源支励磁绕组与阻尼绕组中的电流也是没有电源支l持的，所以，随着两个绕组的电阻消耗能量，持的，所以，随着两个绕组的电阻消耗能量，l这些电流要衰减。这些电流要衰减。iil阻尼绕组中电流衰减过程的等效电抗较l小，电阻相对较大，所以其中的电流衰l减得快，于是从定子侧出线