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1、6.7 同步电机的突然短路与振荡 v突然短路的物理过程（掌握） v瞬态电抗和超瞬态电抗（掌握） v三相突然短路分析 v不对称突然短路的概念（了解） v同步电机振荡的物理概念（了解） 一、突然短路的物理过程 l突然短路的直观影响 各绕组出现很大的冲击电流，峰值可达额 定电流的十倍以上。 在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。 可能损坏绕组端部，或使转轴发生有害变 形，破坏电网的稳定运行。 主要原因 突然短路是一个暂态过程从正常运行到稳 定短路的过渡阶段。短路电流中包含有自由分量 按一定时间常数衰减；当自由分量衰减完毕，即进入 稳定短路。 突然短路时，电枢（定子）电流和相应的电枢 磁场幅值发生突然变
2、化，定、转子绕组间产生变压器 感应关系，在转子绕组中感应电势和电流，反过来又 影响定子绕组的电流。 短路瞬间，假设转速仍为同步速。定子 磁场与转子绕组间无相对运动。 定子电流突然变化（由于短路），定子 磁场幅值突变，在转子绕组中产生变压 器作用 1.1超导体闭合回路磁链不变原则 l合上开关，使定子绕组1短路， 有 不计电阻 R1，则 即 =const 设t=0时磁链为t=0 ，则 =t=0 在没有电阻的闭合回路中，磁链将 保持不变 磁链不能突变，在突然短路瞬间，认为磁链保持不变（ 类似超导体情况）。 分析时的假设 （1）不考虑机械过渡过程 在过渡过程期间， 电机的转速保持为同步速不变； （2）
3、利用叠加原理电机的磁路不饱和； （3）突然短路前为空载运行，突然短路发生 在发电机的出线端； （4）不考虑强励的情况发生短路后，励磁 系统的励磁电流If0始终保持不变。 1.2 三相突然短路时的磁链 l空载时，转子旋转磁场在定子绕组中形成磁链 t=0时，发电机端点发生三相突然短路，磁链分别为 0A、0B、0C 根据磁链不变原则，各绕组磁链将保持而不随时间变 化（忽略电阻的作用） t0时的磁链守恒 l转子继续以同步转速旋转，转子磁场对定子绕组形成的磁链 fA、fB和fC始终按正弦规律变化。 l定子各绕组的磁链要保持不变， 需由已闭合的定子绕组中产生感应电流，由该电流分别在各相 绕组中建立磁链AA
4、AA、BB和CC以克服磁链的变化。 1.3 定子电流的分量 l交流分量 在定子各相绕组中产生磁链-fA、-fB和 -fC ，以抵消转子磁场的作用，使定子绕 组的磁链为零 l直流分量 产生不变的磁链（保持磁链守恒） 1.4 转子电流的分量 l由于定子电流产生的旋转磁场和直流磁场的出现，转子 磁链守恒将被破坏，转子电路中必将引起感应电流以建 立恰能抵消上述磁场对转子绕组形成的磁链 l定子绕组交流分量产生的合成磁场 ，同步旋转与转子 相对静止，转子有需直流分量If-，以抵消磁链 l定子电流直流分量产生磁场（静止）与转子相对转速为 同步速，在转子中磁链- 感应工频交流电势，需交流电 流分量If，以抵消
5、- 。 1.5 考虑绕组电阻后的影响 l实际情况下，定子、转子回路均有电阻存在 ，所以各瞬态电流分量均将按一定时间常数 衰减，并最后消失。这时定子电流将是稳态 短路电流，转子回路将是正常外施的激磁电 流。 l如三相稳定短路时电流只有0.535 IN，比额 定电流都小 二、瞬态电抗和超瞬态电抗 任一线圈产生一定数量磁通所需的电流大小将 因磁通所走的路径不同而大不相同。为产生 同样的磁通，如磁阻较小，所需电流较小， 即有较大的电抗；如磁阻较大，所需电流较 大，即有较小的电抗。 以阻尼绕组电流以及励磁绕组中电流增量是否衰减完 毕为标志，将突然短路到稳定短路之间的变化过程分 为：超瞬变、瞬变、稳定三个
6、阶段，对应的直轴电抗 分别为超瞬变电抗、瞬变电抗、稳定电抗. 2.1 直轴稳态电抗 l稳定短路时 端电压等于零，电枢反应为纯去磁作用。 不计电枢电阻和漏磁通的影响，由定子电流所产生 的电枢反应磁通与由转子电流所产生的磁通，大小 相等，方向相反。电枢反应磁通所经的路线如图所 示 电枢反应磁通将穿过转子铁 芯而闭合，磁阻较小. 定子电抗等于同步电抗xd（ 数值较大） 励磁绕组中电流的瞬态分量也衰减 完毕。电枢反应磁通路径为主磁路 ，电机进入稳定短路状态。 2.2 直轴瞬态电抗 l突然短路初瞬 转子磁链不能突变。 转子中产生一磁化方向与电枢磁场方向相反的感应 电流，其磁通抵消要穿过转子绕组的电枢磁通
7、。 等效： 电枢磁通从转子绕组外侧 的漏磁路通过 电枢反应磁通将从转子绕组外漏 磁路而闭合，所遇到的磁阻较大 定子电抗为直轴瞬态电抗 xd（ 数值较小） 2.2直轴瞬态电抗 电枢反应磁通将从转子绕组外漏磁路而闭合，所遇到的磁阻 较大定子电抗为直轴瞬态电抗 xd（数值较小） 无阻尼绕组 或阻尼绕组时间常数小 ，短路后出现的电流衰减 速度快，当电流基本衰减 完后，磁通可进入阻尼绕 组，当仍被挤在励磁绕组 以外的漏磁路中。 2.3直轴超瞬态电抗 l突然短路初瞬 转子磁链不能突变 如转子上有阻尼绕组，其磁链也不能突变。 等效： 电枢磁通从阻尼绕组和 转子绕组外侧 的漏磁路通过 电枢反应磁通将从转子外漏
8、磁路 而闭合，所遇到的磁阻更大 定子电抗为直轴超瞬态电抗 xd （数值更小） 2.4 x”d和xd的表达式 l设ad代表空气隙的磁导，1d代表阻尼绕组旁的漏 磁路的磁导，f代表激磁绕组旁的漏磁路的磁导 电抗与磁导成正比 则： 等效磁路 2.4 x”d和xd的表达式 阻尼绕组 l作用：提高电机运行的稳定性，削弱不对称 运行时反向旋转磁场的不良影响 lx”d xd ，突然短路时定子电流的周期性 分量幅值 将比无阻尼时更大。 l在隐极发电机中，整块转子铁心起阻尼作用 ，不需另外的阻尼绕组 2.4 交轴瞬态电抗 l如短路电流中有交轴分量，产生交轴电枢磁 场。 l由于交轴方向无励磁绕组，交轴瞬态电抗和
9、交相同步电抗相等 2.5 交轴超瞬态电抗 l由于阻尼绕组的不对称性，在交轴方向有阻 尼绕组作用（且与直轴方向作用不等） 阻尼绕组在交 轴的漏抗 2.6 与负序电抗的关系 l对于负序电流，其电枢磁场与转子绕组有2n1的相对运动，在 转子绕组中感应电势产生电流。由于磁链不能突变，即类似短 路时情况 直接外施负序电压 经外接电抗（很大）施加负序电压 外接电抗与负序电抗相当时 如两相短路时 2.7 静止法测定瞬态电抗 l试验：定子绕组的一相开路，另两相串联并外施一单相低压交 流电源两相短路。转子激磁绕组由电流表短接。 l缓缓转动转子，定子电流和转子电流将发生变化，记录定子外 施电压和定子电流。 l当转
10、到转子直轴时，转子绕组中的感应电流最大，定子电流最 大；当转至转子交轴时，转子绕组中的感应电流最小，定子电 流最小值。 如转子无阻尼绕组，切磁极由 叠片构成，则测出的是瞬态电 抗 三、三相突然短路电流 l短路初瞬，定子电流中的直流分量与短路时的磁链 有关（保持短路后磁链守恒）。 l如短路时短路绕组与交轴重合，则磁链 l如短路绕组与直轴重合，则磁链 相应的短路电流中直流分类不相同，短路电流也不同 。 3.1 当 0=0 时的突然短路 l当t=0时，=00，E0=Emax，Ik滞后E0 90，Ik0=0。 短路电流中直流分量I - = 0，只有交流分量 阻尼绕组的影响 励磁绕组的影响 同步电抗的作
11、用 3.2 当0= max时的突然短路 l当t=0时，0max，E0=0，周期分量I= - Imax 初始条件，当t0时，绕组电流必须保持为零 短路电流中有非周期性的直流分量I-，且I- = Imax，使总电流的 初值为零 衰减中的直流分量 交流分量 如果衰减很缓慢 ，则在001s(半 个周波)以后，最 高冲击电流达到 周期性电流的起 始振幅的2倍。 3.3 时间常数 l由于绕组存在电阻，各种自由分量都将衰减 了解了解 无阻尼、定子开路时激磁绕 组的时间常数 无阻尼、定子绕组短路时激 磁绕组的时间常数 定子短路时阻尼 绕组的时间常数 定子 绕组 四、不对称突然短路的概念 l利用对称分量法，分别
12、考虑各序的瞬态电流分量 正序 负序 限制瞬态和超瞬态短路电流的是负序阻抗x- 零序 零序电流不产生气隙磁通，零序电抗只是定子绕组的漏电抗 ，用零序电抗x0计算瞬态过程 五、同步电机振荡的物理概念 l当同步电机运行时，合成磁场和转子磁场间可看着弹性关系： 当负载增大时，位移角增大，相当于将磁力线拉长；当负载 减小时，位移角减小，磁力线缩短。 l当负载突然变化时，由于弹性作用，转子位移角不能立刻达到 新的稳定值，即引起振荡转子转速在同步速上下晃动。如 振幅过大，则位移角变化角大，超过弹性极限，将与电网失步 。 l当同步发电机由不均匀的原动机拖动时，将发生强制振荡。 l如相近容量的两台发电机并列运行
13、，一台发电机的振荡将引起 另一台发电机的振荡，即电网电压的振荡。 思考题 试说明下列情况中同步电机的转子电流中有没 有交流分量 (1)同步运转，定子电流三相对称且有稳态值 (2)同步运转，定子电流有稳态值但三相不对称 (3)稳定异步运转 (4)同步运转，定子电流突然变化 如与电枢磁场有相对运动，或电枢磁场发生突然变化，产 生变压器作用。 负序旋转磁场将在转子绕组中 感应交变电流 电枢旋转磁场与转子有相对运 动，感应电流 转子绕组匝链的磁通发生变化 ，将感应变压器电势 思考题 l说明瞬态电抗和超瞬态电抗和定子绕组的漏抗有什 么不同 . 瞬态电抗是由定子三相绕组电流产生的电枢反应 磁通对应的电抗；
14、而定子漏抗对应于定子每相电 流产生的且只匝链该相绕组的定子漏磁通. 思考题:为什么同步发电机的突然短路电流 要比持续短路电流大得多 ? 突然短路瞬间，各绕组的磁链需保持不变。电枢 反应磁通的突然变化，在转子绕组中感应电流来 抵抗电枢反应磁通，迫使电枢反应磁通在转子绕 组以外的漏磁路通过，磁阻增加，电抗减小，突 然短路电流大。 稳态短路时，电枢反应磁通能通过转子绕组磁路 ，磁阻小电抗大，短路电流小。 思考题:突然短路对电机有何影响？ 突然短路电流的最大瞬时值可能达到额定电流的20倍左右 . 产生很大的电磁力特别在端部，将导致绕组的端接 部分受到严重的机械损坏 定子电流的突然变化，在转子绕组中感应电流，定子电 流的磁场和转子电流产生的磁场相互作用将产生很大的 单向制动转矩和交变转矩 ，使电机振荡. 作业 l15-2 可看出各种电抗的大小关系
