同步電機的突然短路與振蕩08定

1、6.7 同步電機的突然短路與振蕩同步電機的突然短路與振蕩v突然短路的物理過程（掌握）突然短路的物理過程（掌握）v瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗（掌握）瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗（掌握）v三相突然短路分析三相突然短路分析v不對稱突然短路的概念（了解）不對稱突然短路的概念（了解）v同步電機振蕩的物理概念（了解）同步電機振蕩的物理概念（了解）一、突然短路的物理過程一、突然短路的物理過程l突然短路的直觀影響各繞組出現(xiàn)很大的沖擊電流，峰值可達額定電流的十倍以上。在電機內產生很大的電磁力和電磁轉矩?？赡軗p壞繞組端部，或使轉軸發(fā)生有害變形，破壞電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。主要原因主要原因突然短路是一個暫態(tài)過程突然短路是一個暫態(tài)過程從正

2、常運行到穩(wěn)從正常運行到穩(wěn)定短路的過渡階段。短路電流中包含有自由分量定短路的過渡階段。短路電流中包含有自由分量按一定時間常數(shù)衰減；當自由分量衰減完畢，即進入按一定時間常數(shù)衰減；當自由分量衰減完畢，即進入穩(wěn)定短路。穩(wěn)定短路。突然短路時，電樞（定子）電流和相應的電樞突然短路時，電樞（定子）電流和相應的電樞磁場幅值發(fā)生突然變化，磁場幅值發(fā)生突然變化，定、轉子繞組間產生變壓器定、轉子繞組間產生變壓器感應關系感應關系，在轉子繞組中感應電勢和電流，反過來又，在轉子繞組中感應電勢和電流，反過來又影響定子繞組的電流。影響定子繞組的電流。短路瞬間，假設轉速仍為同步速。定子短路瞬間，假設轉速仍為同步速。定子磁場與轉

3、子繞組間無相對運動。磁場與轉子繞組間無相對運動。定子電流突然變化（由于短路），定子定子電流突然變化（由于短路），定子磁場幅值突變，在轉子繞組中產生變壓磁場幅值突變，在轉子繞組中產生變壓器作用器作用1.1超導體閉合回路磁鏈不變原則超導體閉合回路磁鏈不變原則 l合上開關，使定子繞組合上開關，使定子繞組1短路，有短路，有不計電阻不計電阻 R1，則，則即即 =const 設設t=0時磁鏈為時磁鏈為t=0 ，則，則 =t=0 在沒有電阻的閉合回路中，磁鏈將保在沒有電阻的閉合回路中，磁鏈將保持不變持不變R0didt0dtd磁鏈不能突變，在突然短路瞬間，認為磁鏈保持不變磁鏈不能突變，在突然短路瞬間，認為磁鏈

4、保持不變（類似超導體情況）。（類似超導體情況）。分析時的假設分析時的假設（1）不考慮機械過渡過程不考慮機械過渡過程在過渡過程期間，在過渡過程期間，電機的轉速保持為同步速不變；電機的轉速保持為同步速不變；（2）利用疊加原理）利用疊加原理電機的磁路不飽和；電機的磁路不飽和；（3）突然短路前為空載運行，突然短路發(fā)生在）突然短路前為空載運行，突然短路發(fā)生在發(fā)電機的出線端；發(fā)電機的出線端；（4）不考慮強勵的情況不考慮強勵的情況發(fā)生短路后，勵磁發(fā)生短路后，勵磁系統(tǒng)的勵磁電流系統(tǒng)的勵磁電流If0始終保持不變。始終保持不變。 1.2 三相突然短路時的磁鏈三相突然短路時的磁鏈l空載時，轉子旋轉磁場在定子繞組中形

5、成磁鏈空載時，轉子旋轉磁場在定子繞組中形成磁鏈t=0時，發(fā)電機端點發(fā)生三相突然短路，磁鏈分別為時，發(fā)電機端點發(fā)生三相突然短路，磁鏈分別為0A、0B、0C根據(jù)磁鏈不變原則，各繞組磁鏈將保持而不隨時間變根據(jù)磁鏈不變原則，各繞組磁鏈將保持而不隨時間變化（忽略電阻的作用）化（忽略電阻的作用） t0時的磁鏈守恒時的磁鏈守恒l轉子繼續(xù)以同步轉速旋轉，轉子磁場對定子繞組形成的磁鏈轉子繼續(xù)以同步轉速旋轉，轉子磁場對定子繞組形成的磁鏈fA、fB和和fC始終按正弦規(guī)律變化。始終按正弦規(guī)律變化。l定子各繞組的磁鏈要保持不變定子各繞組的磁鏈要保持不變， 需由已閉合的定子繞組中產生感應電流，由該電流分別在各相繞需由已閉

6、合的定子繞組中產生感應電流，由該電流分別在各相繞組中建立磁鏈組中建立磁鏈、BB和和CC以克服磁鏈的變化。以克服磁鏈的變化。 AA1.3 定子電流的分量定子電流的分量l交流分量交流分量在定子各相繞組中產生磁鏈在定子各相繞組中產生磁鏈-fA、-fB和和-fC ，以抵消轉子磁場的作用，使定子繞組，以抵消轉子磁場的作用，使定子繞組的磁鏈為零的磁鏈為零l直流分量直流分量產生不變的磁鏈（保持磁鏈守恒）產生不變的磁鏈（保持磁鏈守恒）CBAiii、CBAiii、1.4 轉子電流的分量轉子電流的分量l由于定子電流產生的旋轉磁場和直流磁場的出現(xiàn)，轉子磁由于定子電流產生的旋轉磁場和直流磁場的出現(xiàn)，轉子磁鏈守恒將被破

7、壞，轉子電路中必將引起感應電流以建立恰鏈守恒將被破壞，轉子電路中必將引起感應電流以建立恰能抵消上述磁場對轉子繞組形成的磁鏈能抵消上述磁場對轉子繞組形成的磁鏈 l定子繞組交流分量產生的合成磁場定子繞組交流分量產生的合成磁場 ，同步旋轉與轉子相，同步旋轉與轉子相對靜止，轉子有需直流分量對靜止，轉子有需直流分量If-，以抵消磁鏈，以抵消磁鏈 l定子電流直流分量產生磁場（靜止）與轉子相對轉速為同定子電流直流分量產生磁場（靜止）與轉子相對轉速為同步速，在轉子中磁鏈步速，在轉子中磁鏈- 感應工頻交流電勢，需交流電流分感應工頻交流電勢，需交流電流分量量If，以抵消，以抵消- 。ffffffffffIIIi1

8、.5 考慮繞組電阻后的影響考慮繞組電阻后的影響l實際情況下，定子、轉子回路均有電阻存在，實際情況下，定子、轉子回路均有電阻存在，所以所以各瞬態(tài)電流分量均將按一定時間常數(shù)衰減，各瞬態(tài)電流分量均將按一定時間常數(shù)衰減，并最后消失并最后消失。這時定子電流將是穩(wěn)態(tài)短路電流，。這時定子電流將是穩(wěn)態(tài)短路電流，轉子回路將是正常外施的激磁電流。轉子回路將是正常外施的激磁電流。 l如三相穩(wěn)定短路時電流只有如三相穩(wěn)定短路時電流只有0.535 IN，比額定，比額定電流都小電流都小二、瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗二、瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗任一線圈產生一定數(shù)量磁通所需的電流大小將因任一線圈產生一定數(shù)量磁通所需的電流大小將因磁通所走

9、的路徑不同而大不相同。磁通所走的路徑不同而大不相同。為產生同樣為產生同樣的磁通，如磁阻較小，所需電流較小，即有較的磁通，如磁阻較小，所需電流較小，即有較大的電抗大的電抗；如磁阻較大，所需電流較大，即有；如磁阻較大，所需電流較大，即有較小的電抗。較小的電抗。以阻尼繞組電流以及勵磁繞組中電流增量是否衰減完以阻尼繞組電流以及勵磁繞組中電流增量是否衰減完畢為標志，將突然短路到穩(wěn)定短路之間的變化過程分畢為標志，將突然短路到穩(wěn)定短路之間的變化過程分為：超瞬變、瞬變、穩(wěn)定三個階段，對應的直軸電抗為：超瞬變、瞬變、穩(wěn)定三個階段，對應的直軸電抗分別為超瞬變電抗、瞬變電抗、穩(wěn)定電抗分別為超瞬變電抗、瞬變電抗、穩(wěn)定

10、電抗.2.1 直軸直軸穩(wěn)態(tài)態(tài)電抗電抗l穩(wěn)定短路時穩(wěn)定短路時端電壓等于零，端電壓等于零，電樞反應為純去磁作用電樞反應為純去磁作用。 不計電樞電阻和漏磁通的影響，由定子電流所產生的不計電樞電阻和漏磁通的影響，由定子電流所產生的電樞反應磁通與由轉子電流所產生的磁通，大小相等，電樞反應磁通與由轉子電流所產生的磁通，大小相等，方向相反。電樞反應磁通所經(jīng)的路線如圖所示方向相反。電樞反應磁通所經(jīng)的路線如圖所示 電樞反應磁通將穿過轉子鐵電樞反應磁通將穿過轉子鐵芯而閉合，磁阻較小芯而閉合，磁阻較小.定子電抗等于同步電抗定子電抗等于同步電抗xd（數(shù)值較大數(shù)值較大）勵磁繞組中電流的瞬態(tài)分量也衰減勵磁繞組中電流的瞬態(tài)

11、分量也衰減完畢。電樞反應磁通路徑為主磁路，完畢。電樞反應磁通路徑為主磁路，電機進入穩(wěn)定短路狀態(tài)。電機進入穩(wěn)定短路狀態(tài)。2.2 直軸瞬態(tài)電抗直軸瞬態(tài)電抗l突然短路初瞬突然短路初瞬轉子磁鏈不能突變。轉子磁鏈不能突變。 轉子中產生一磁化方向與電樞磁場方向相反的感應電轉子中產生一磁化方向與電樞磁場方向相反的感應電流，其磁通抵消要穿過轉子繞組的電樞磁通。流，其磁通抵消要穿過轉子繞組的電樞磁通。等效等效：電樞磁通從轉子繞組外側電樞磁通從轉子繞組外側的漏磁路通過的漏磁路通過dx電樞反應磁通將從轉子繞組外漏電樞反應磁通將從轉子繞組外漏磁路而閉合，所遇到的磁阻較大磁路而閉合，所遇到的磁阻較大定子電抗為直軸瞬態(tài)電

12、抗定子電抗為直軸瞬態(tài)電抗 xd（數(shù)值較小數(shù)值較?。?.2直軸瞬態(tài)電抗直軸瞬態(tài)電抗dx電樞反應磁通將從轉子繞組外漏磁路而閉合，所遇到的磁阻電樞反應磁通將從轉子繞組外漏磁路而閉合，所遇到的磁阻較大較大定子電抗為直軸瞬態(tài)電抗定子電抗為直軸瞬態(tài)電抗 xd（數(shù)值較小數(shù)值較?。o無阻尼繞組阻尼繞組或阻尼繞組時間常數(shù)小，或阻尼繞組時間常數(shù)小，短路后出現(xiàn)的電流衰減速短路后出現(xiàn)的電流衰減速度快，當電流基本衰減完度快，當電流基本衰減完后，磁通可進入阻尼繞組，后，磁通可進入阻尼繞組，當仍被擠在勵磁繞組以外當仍被擠在勵磁繞組以外的漏磁路中。的漏磁路中。2.3直軸超瞬態(tài)電抗直軸超瞬態(tài)電抗l突然短路初瞬突然短路初瞬轉子磁

13、鏈不能突變轉子磁鏈不能突變 如轉子上如轉子上有阻尼繞組有阻尼繞組，其磁鏈也不能突變。，其磁鏈也不能突變。等效：等效：電樞磁通從阻尼繞組和電樞磁通從阻尼繞組和轉子繞組外側轉子繞組外側的漏磁路通過的漏磁路通過 dx電樞反應磁通將從轉子外漏磁路電樞反應磁通將從轉子外漏磁路而閉合，所遇到的磁阻更大而閉合，所遇到的磁阻更大定子電抗為直軸超瞬態(tài)電抗定子電抗為直軸超瞬態(tài)電抗 xd（數(shù)值更?。〝?shù)值更?。?.4 x”d和和xd的表達式的表達式l設ad代表空氣隙的磁導，1d代表阻尼繞組旁的漏磁路的磁導，f代表激磁繞組旁的漏磁路的磁導 dfadad11111dfadadd11111電抗與磁導成正比電抗與磁導成正比則

14、：則：dfadaddxxxxxxx11111等效磁路等效磁路2.4 x”d和和xd的表達式的表達式fadadd111fadaddxxxxxx111阻尼繞組阻尼繞組l作用：提高電機運行的穩(wěn)定性，削弱不對稱運作用：提高電機運行的穩(wěn)定性，削弱不對稱運行時反向旋轉磁場的不良影響行時反向旋轉磁場的不良影響lx”d xd ，突然短路時定子電流的周期性分，突然短路時定子電流的周期性分量幅值量幅值 將比無阻尼時更大。將比無阻尼時更大。l在隱極發(fā)電機中，整塊轉子鐵心起阻尼作用，在隱極發(fā)電機中，整塊轉子鐵心起阻尼作用，不需另外的阻尼繞組不需另外的阻尼繞組02dmxEI2.4 交軸瞬態(tài)電抗交軸瞬態(tài)電抗l如短路電流中

15、有交軸分量，產生交軸電樞磁場。如短路電流中有交軸分量，產生交軸電樞磁場。l由于交軸方向無勵磁繞組，交軸瞬態(tài)電抗和交由于交軸方向無勵磁繞組，交軸瞬態(tài)電抗和交相同步電抗相等相同步電抗相等 qxqqxx 2.5 交軸超瞬態(tài)電抗交軸超瞬態(tài)電抗l由于由于阻尼繞組阻尼繞組的不對稱性，在交軸方向有阻尼的不對稱性，在交軸方向有阻尼繞組作用（且與直軸方向作用不等）繞組作用（且與直軸方向作用不等） qxqaqqaqqxxxxxx11阻尼繞組在交阻尼繞組在交軸的漏抗軸的漏抗2.6 與負序電抗的關系與負序電抗的關系l對于負序電流，其電樞磁場與轉子繞組有對于負序電流，其電樞磁場與轉子繞組有2n1的相對運動，在的相對運動

16、，在轉子繞組中感應電勢產生電流。由于磁鏈不能突變，即類似短轉子繞組中感應電勢產生電流。由于磁鏈不能突變，即類似短路時情況路時情況1.直接外施負序電壓直接外施負序電壓2.經(jīng)外接電抗（很大）施加負序電壓經(jīng)外接電抗（很大）施加負序電壓3.外接電抗與負序電抗相當時外接電抗與負序電抗相當時2,11211qdqdqdxxxxxxxx)(21,11211qdeqedexxxxxxxxxqdxxx 如兩相短路時2.7 靜止法測定瞬態(tài)電抗靜止法測定瞬態(tài)電抗l試驗：定子繞組的一相開路，另兩相串聯(lián)并外施一單相低壓交流試驗：定子繞組的一相開路，另兩相串聯(lián)并外施一單相低壓交流電源電源兩相短路。轉子激磁繞組由電流表短接。

17、兩相短路。轉子激磁繞組由電流表短接。l緩緩轉動轉子，定子電流和轉子電流將發(fā)生變化，記錄定子外施緩緩轉動轉子，定子電流和轉子電流將發(fā)生變化，記錄定子外施電壓和定子電流。電壓和定子電流。l當轉到轉子直軸時，轉子繞組中的感應電流最大，定子電流最大；當轉到轉子直軸時，轉子繞組中的感應電流最大，定子電流最大；當轉至轉子交軸時，轉子繞組中的感應電流最小，定子電流最小當轉至轉子交軸時，轉子繞組中的感應電流最小，定子電流最小值。值。 minmax22IUxIUxqd如轉子無阻尼繞組，切磁極由如轉子無阻尼繞組，切磁極由疊片構成，則測出的是瞬態(tài)電疊片構成，則測出的是瞬態(tài)電抗抗qdxx 和三、三相突然短路電流三、三

18、相突然短路電流l短路初瞬，定子電流中的直流分量與短路時的磁鏈有短路初瞬，定子電流中的直流分量與短路時的磁鏈有關（保持短路后磁鏈守恒）。關（保持短路后磁鏈守恒）。l如短路時短路繞組與交軸重合，則磁鏈如短路時短路繞組與交軸重合，則磁鏈l如短路繞組與直軸重合，則磁鏈如短路繞組與直軸重合，則磁鏈00max0相應的短路電流中直流分類不相同，短路電流也不同相應的短路電流中直流分類不相同，短路電流也不同。3.1 當當 0=0 時的突然短路時的突然短路l當t=0時，=00，E0=Emax，Ik滯后E0 90，Ik0=0。短路電流中直流分量I - = 0，只有交流分量阻尼繞組的影響阻尼繞組的影響勵磁繞組的影響勵

19、磁繞組的影響同步電抗的作用同步電抗的作用txexxexxEtIeIIeIIidTtddTtddemdmTtdmdmTtdmdmkddddsin11111sin33333.2 當當 0= max時的突然短路時的突然短路l當t=0時，0max，E0=0，周期分量I= - Imax初始條件，當t0時，繞組電流必須保持為零短路電流中有非周期性的直流分量I-，且I- = Imax，使總電流的初值為零 衰減中的直流分量衰減中的直流分量交流分量交流分量90sin333tIeIIeIIieIidmTtdmdmTtdmdmkcTtamkadda如果衰減很緩慢，如果衰減很緩慢，則在則在001s(半個半個周波周波)

20、以后，最高以后，最高沖擊電流達到周沖擊電流達到周期性電流的起始期性電流的起始振幅的振幅的2倍。倍。3.3 時間常數(shù)時間常數(shù)l由于繞組存在電阻，各種自由分量都將衰減由于繞組存在電阻，各種自由分量都將衰減ffdrLT00dddffkddxxTxxTT0003dddrxT113aarxT3無阻尼、定子開路時激磁繞無阻尼、定子開路時激磁繞組的時間常數(shù)組的時間常數(shù)無阻尼、定子繞組短路時激無阻尼、定子繞組短路時激磁繞組的時間常數(shù)磁繞組的時間常數(shù)定子短路時阻尼定子短路時阻尼繞組的時間常數(shù)繞組的時間常數(shù)定子定子繞組繞組四、不對稱突然短路的概念四、不對稱突然短路的概念l利用對稱分量法，分別考慮各序的瞬態(tài)電流分量

21、利用對稱分量法，分別考慮各序的瞬態(tài)電流分量1.正序正序2.負序負序限制瞬態(tài)和超瞬態(tài)短路電流的是負序阻抗限制瞬態(tài)和超瞬態(tài)短路電流的是負序阻抗x-3.零序零序零序電流不產生氣隙磁通，零序電抗只是定子繞組的漏電抗，零序電流不產生氣隙磁通，零序電抗只是定子繞組的漏電抗，用零序電抗用零序電抗x0計算瞬態(tài)過程計算瞬態(tài)過程五、同步電機振蕩的物理概念五、同步電機振蕩的物理概念l當同步電機運行時，合成磁場和轉子磁場間可看著彈性關系：當當同步電機運行時，合成磁場和轉子磁場間可看著彈性關系：當負載增大時，位移角負載增大時，位移角 增大，相當于將磁力線拉長；當負載減小增大，相當于將磁力線拉長；當負載減小時，位移角減小

22、，磁力線縮短。時，位移角減小，磁力線縮短。l當負載突然變化時，由于彈性作用，轉子位移角不能立刻達到新當負載突然變化時，由于彈性作用，轉子位移角不能立刻達到新的穩(wěn)定值，即引起的穩(wěn)定值，即引起振蕩振蕩轉子轉速在同步速上下晃動轉子轉速在同步速上下晃動。如振幅。如振幅過大，則位移角變化角大，超過彈性極限，將與電網(wǎng)失步。過大，則位移角變化角大，超過彈性極限，將與電網(wǎng)失步。l當同步發(fā)電機由不均勻的原動機拖動時，將發(fā)生強制振蕩。當同步發(fā)電機由不均勻的原動機拖動時，將發(fā)生強制振蕩。l如相近容量的兩臺發(fā)電機并列運行，一臺發(fā)電機的振蕩將引起另如相近容量的兩臺發(fā)電機并列運行，一臺發(fā)電機的振蕩將引起另一臺發(fā)電機的振蕩

23、，即電網(wǎng)電壓的振蕩。一臺發(fā)電機的振蕩，即電網(wǎng)電壓的振蕩。思考題思考題試說明下列情況中同步電機的試說明下列情況中同步電機的轉子電流轉子電流中有沒有中有沒有交流分量交流分量(1)同步運轉，定子電流三相對稱且有穩(wěn)態(tài)值同步運轉，定子電流三相對稱且有穩(wěn)態(tài)值(2)同步運轉，定子電流有穩(wěn)態(tài)值但三相不對稱同步運轉，定子電流有穩(wěn)態(tài)值但三相不對稱(3)穩(wěn)定異步運轉穩(wěn)定異步運轉(4)同步運轉，定子電流突然變化同步運轉，定子電流突然變化 如如與電樞磁場有相對運動，或電樞磁場發(fā)生突然變化，產與電樞磁場有相對運動，或電樞磁場發(fā)生突然變化，產生變壓器作用生變壓器作用。負序旋轉磁場將在轉子繞組中感應交變電流電樞旋轉磁場與轉子有相對運動，感應電流轉子繞組匝鏈的磁通發(fā)生變化，轉子繞組匝鏈的磁通發(fā)生變化，將感應變壓器電勢將感應變壓器電勢思考題思考題l說明瞬態(tài)電