第20章同步电机的非正常运行2

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ABCABC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ABC2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EiF2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EiF2从实例看R-L电路暂态分析的一般原理

1）合闸后电流-10010EiF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在线圈电阻与电感。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2(1)i01(1)iF1(1)2(1)i1(1)iF1(1)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。1R1L2LsmL1sL4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+j2）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。+A+j(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1234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1234dqd1’3’4’2’2143q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d1’3’4’2’2143qd轴阻尼绕组的回路：q轴阻尼绕组的回路：回路1回路21-1’-4’-42-2’-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AX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）AX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rXA（3）稳态短路与突然短路初瞬

电枢磁场磁力线路径的对比AXAX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rjxdXArjxd”XA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AX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+AAXFa.~=Fa.突然短路-电枢磁势非周期分量-2=Fa.SN=Fa.突然短路-电枢磁势非周期分量-3=Fa.=Fa.1’3’4’21342’1234突然短路-电枢磁势非周期分量-2+AAX=Fa.Fa.~NS突然短路-电枢磁势非周期分量-4.=Fa.=Fa21341’2’3’4’4312(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