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1、第十七章 同步发电机的非正常运行第一页，本课件共有37页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，属于正常试验项目第二页，本课件共有37页一、从实例看一、从实例看R-LR-L电路电路过渡过程分析的一般原理过渡过程分析的一般原理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第三页，本课件共有37页R-LR-L电路过渡过程的特点电路过渡过程
2、的特点l l1 1）电流的有源（强制）分量按照稳态分）电流的有源（强制）分量按照稳态分析方法确定，从时刻析方法确定，从时刻t=0t=0开始就存在。开始就存在。l l2)2)无电源支持的自由分量，其初始值与无电源支持的自由分量，其初始值与有源（强制）分量在有源（强制）分量在t=0t=0时刻大小相等方时刻大小相等方向相反，使线圈在合闸前后电流不发生向相反，使线圈在合闸前后电流不发生突变。突变。l l3 3）凡是没有电源支持的电流，即）凡是没有电源支持的电流，即“无源无源感应电流感应电流”，简称无源电流，都会衰减。，简称无源电流，都会衰减。第四页，本课件共有37页关于换路定律的进一步说明关于换路定律
3、的进一步说明l l自由分量的出现，可用楞次定律解释：自由分量的出现，可用楞次定律解释：合闸后立即出现的有源分量，有导致电合闸后立即出现的有源分量，有导致电流及其产生的磁通急剧变化的趋势；流及其产生的磁通急剧变化的趋势；l l磁通的变化在电感线圈中产生感应电势，磁通的变化在电感线圈中产生感应电势，感生电流阻碍磁通的变化。阻碍到电流感生电流阻碍磁通的变化。阻碍到电流与所产生的磁通不能突变的程度，亦即与所产生的磁通不能突变的程度，亦即保持合闸前后电流相等，这就是保持合闸前后电流相等，这就是R-LR-L回路回路的的换路定律换路定律。第五页，本课件共有37页 R-L R-L电路换路定律的推广电路换路定律
4、的推广l l电感线圈电流不突变的实质是磁场能量不突变。电感线圈电流不突变的实质是磁场能量不突变。电感线圈电流不突变的实质是磁场能量不突变。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：磁场能量的等效表示方式如下：磁场能量的等效表示方式如下：磁场能量的等效表示方式如下：l ll l从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可以适从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可以适从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可以适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。合于多线圈的情况。合于多线圈的情况。合于多线圈的情况。l l换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各线
5、换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各线换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各线换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各线圈的磁链不突变，各截面上的磁通不突变，甚至圈的磁链不突变，各截面上的磁通不突变，甚至圈的磁链不突变，各截面上的磁通不突变，甚至圈的磁链不突变，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。可以理解为各处的磁密不突变。可以理解为各处的磁密不突变。可以理解为各处的磁密不突变。第六页，本课件共有37页两个耦合线圈过渡过程的特点两个耦合线圈过渡过程的特点第七页，本课件共有37页问题描述问题描述l l 在铁心上有两个线圈（设想为单相变压器）在铁心上有两个线圈（设想为单相变
6、压器），其中二次闭合，一次突然合闸到直流电源。，其中二次闭合，一次突然合闸到直流电源。l l 1 1）分析一次电流有哪些分量，对比其磁路）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。与衰减时间常数与单线圈的区别。l l 2 2）分析二次电流变化趋势，它对一次电流）分析二次电流变化趋势，它对一次电流的磁路有何影响。的磁路有何影响。参见耦合线圈图参见耦合线圈图 第八页，本课件共有37页l分析方法：将单线圈的分析方法 推广至耦合线圈第九页，本课件共有37页 线圈线圈1 1中的电流分量中的电流分量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
7、通不突变，会立即出现无源感应分量，其初始值满足第十页，本课件共有37页短路线圈短路线圈2 2对线圈对线圈1 1中的电流的影响中的电流的影响1 1 1 1）对线圈）对线圈）对线圈）对线圈1 1 1 1中电流所产生磁通的磁路的影响中电流所产生磁通的磁路的影响中电流所产生磁通的磁路的影响中电流所产生磁通的磁路的影响 线圈线圈线圈线圈1 1 1 1中电流所产生的突然出现的磁通要中电流所产生的突然出现的磁通要中电流所产生的突然出现的磁通要中电流所产生的突然出现的磁通要穿过线圈穿过线圈穿过线圈穿过线圈2 2 2 2，磁通的变化导致感应电势和感应，磁通的变化导致感应电势和感应，磁通的变化导致感应电势和感应，
8、磁通的变化导致感应电势和感应电流电流电流电流i2(1)i2(1)i2(1)i2(1)的出现，阻碍线圈的出现，阻碍线圈的出现，阻碍线圈的出现，阻碍线圈2 2 2 2中磁通的变化，中磁通的变化，中磁通的变化，中磁通的变化，使其在合闸瞬间维持不变，于是线圈使其在合闸瞬间维持不变，于是线圈使其在合闸瞬间维持不变，于是线圈使其在合闸瞬间维持不变，于是线圈1 1 1 1中合闸中合闸中合闸中合闸后立即出现的电流所产生的磁通在合闸后的后立即出现的电流所产生的磁通在合闸后的后立即出现的电流所产生的磁通在合闸后的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。一小段时间内只能走漏磁路。一小段时间内
9、只能走漏磁路。一小段时间内只能走漏磁路。第十一页，本课件共有37页磁路从漏磁路向主磁路的转移磁路从漏磁路向主磁路的转移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。第十二页，本课件共有37页 闭合线圈对时间常数
10、的影响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。第十三页，本课件共有37页计算等效电感的等效电路l线圈线圈1 1无源分量衰减时间无源分量衰减时间常数的等效电感常数的等效电感l该电感显著小于线圈该电感显著小于线圈2 2开开路时的等效电感。路时的等效电感。1R1L2Ls s
11、mL1s sL第十四页，本课件共有37页二、同步发电机三相突然短路分析第十五页，本课件共有37页同步发电机空载三相短路的物理过程l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。第十六页，本课件共有37页 同步发电机空载三相短路后定子同步发电机空载三相短路后定子绕组中主要的的电流分量绕组中主要的的电流分量l同步发电机空载三相短
12、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。第十七页，本课件共有37页突然短路电流的周期分量l空载时，定子绕组中产生对称三相感应电势。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。第十八页，本课件共有37页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
13、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。突然短路电流的非周期分量第十九页，本课件共有37页图2015 同步发电机空载突然短路后的时空相矢量图 第二十页，本课件共有37页电枢绕组突然短路电流的初始值电枢绕组突然短路电流的初始值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，容易推导出定子三相绕组感应电势为：第二十一页，本课件共有37页电枢电流的周期分量形成的磁场电枢电流的周期分量形成的磁场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，第二十二页，本
14、课件共有37页时空相矢量图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。第二十三页，本课件共有37页电枢电流形成的旋转磁场的磁力线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，电枢磁场的磁力线只能走漏磁路。第二十四页，本课件共有37页使磁
15、阻很大，磁导很小，电抗很小。与图2013b)的情况相似。第二十五页，本课件共有37页电枢突然短路电流初始值电枢突然短路电流初始值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。第二十六页，本课件共有37页电枢电流周期分量形成的旋转磁场的磁路及对应的电抗l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第二十七页，本课件共有37页直轴超瞬态电抗l根据图2016b)所示等效电路容易得到直轴超瞬
16、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，则等效电抗为称直轴瞬态电抗，标么值0.2左右。第二十八页，本课件共有37页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的表达式定子瞬态电流的表达式第二十九页，本课件共有37页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定子瞬态电流周期分量的初始值第三十页，本课件共有37页三、突然短路电流的衰减（以下参阅教材相关内容）l（1 1）电枢电流非周期分量）电枢电流非周期分量 的衰减
17、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，在电枢是无源感应电流，在电枢绕组中流动，形成在空间固定不动的磁场；随着绕组中流动，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轴的磁转子的旋转，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和阻尼绕路闭合。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又有阻尼绕组。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，所呈现出的等效组，从定子绕组的出线端观察，所呈现出的等效电抗也是电抗也是 ，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
18、始值所用等效电抗相同。第三十一页，本课件共有37页电枢电流非周期分量对应的电抗l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。第三十二页，本课件共有37页非周期分量 衰减的时间常数l这样，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。第三十三页，本课件共有37页电枢电流周期分量电枢电流周期分量 的衰减的衰减l 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
19、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。第三十四页，本课件共有37页衰减过程的两个阶段l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，于是从定子侧出线端观察的等l效电抗是 ；当其衰减到可以忽略的程l度，就相当于阻尼绕组开路，从定子侧l出线端观察的等效电抗是 ;可见，衰l减过程可以分为两个阶段，时间常数分l别为 与 ，第三十五页，本课件共有37页突然短路后电枢电流的表达式l经过推导，可以得到突然短路后电枢电流的表达式第三十六页，本课件共有37页第三十七页，本课件共有37页