电机学辜承林(第三版)第6章 同步电机的不对称运行.ppt

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1、第三篇同步电机第三篇同步电机同步发电机的三相突然短路和异常运行同步发电机的三相突然短路和异常运行 第一节第一节 同步发电机的三相突然短路同步发电机的三相突然短路 第二节第二节 同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行 第三节第三节 同步发电机的失磁运行同步发电机的失磁运行 第四节第四节 同步发电机的振荡同步发电机的振荡 第一节 同步发电机的三相突然短路一、超导体闭合回路的磁链守恒原理一、超导体闭合回路的磁链守恒原理无论交链回路的外磁场如何变化，由感应电流产生无论交链回路的外磁场如何变化，由感应电流产生的磁链将恰好抵消这种变化，使得任意瞬间超导闭的磁链将恰好抵消这种变化，使得任意瞬间超导闭合

2、回路的总磁链始终不变，即超导闭合回路保持其合回路的总磁链始终不变，即超导闭合回路保持其磁链等于初始值而且不变，这就是超导闭合回路的磁链等于初始值而且不变，这就是超导闭合回路的磁链守恒原理。磁链守恒原理。二、三相突然短路时的物理过程和同步电抗二、三相突然短路时的物理过程和同步电抗 1 1）转子转速一直保持同步转速，只考虑电磁过渡过程，）转子转速一直保持同步转速，只考虑电磁过渡过程，不考虑机械过渡过程；不考虑机械过渡过程；为了简化分析，假定为了简化分析，假定2 2）磁路不饱和，在分析时可利用叠加原理；）磁路不饱和，在分析时可利用叠加原理；3 3）突然短路前电机处于空载状态）突然短路前电机处于空载状

3、态,突然短路发生在突然短路发生在发电机的出线端发电机的出线端；4 4）突然短路后由励磁电源提供的励磁电流始终不变，即）突然短路后由励磁电源提供的励磁电流始终不变，即认为空载电动势不变。认为空载电动势不变。1 1定子绕组的磁链定子绕组的磁链取转子取转子d d轴与定子轴与定子A A相绕组轴相绕组轴线垂直为线垂直为t=0t=0时刻时刻.定子三相绕组中的磁链定子三相绕组中的磁链的表达式为的表达式为三相突然短路时，三相突然短路时，t=0t=0时刻，三相磁链的初始值时刻，三相磁链的初始值 短路发生后，根据磁链守恒原理，由定子电流产生短路发生后，根据磁链守恒原理，由定子电流产生的磁链将抵消转子主磁场对定子的

4、磁链的变化，并且保的磁链将抵消转子主磁场对定子的磁链的变化，并且保持磁链的初始值不变，即持磁链的初始值不变，即即即 说明每相的磁链有说明每相的磁链有交流分量交流分量（周期分量）和（周期分量）和直流分量直流分量（非（非周期分量）两部分组成。周期分量）两部分组成。交流分量磁链的作用是抵消转子的励磁磁链，直流分量磁交流分量磁链的作用是抵消转子的励磁磁链，直流分量磁链的是维持短路瞬间磁链不变。链的是维持短路瞬间磁链不变。2 2定、转子电流的对应关系定、转子电流的对应关系 定子每相磁链由直流分量和交流分量磁链组成，与之对应定子每相磁链由直流分量和交流分量磁链组成，与之对应的定子电流也有两个分量，一个是三

5、相对称的的定子电流也有两个分量，一个是三相对称的交流分量交流分量短路电短路电流，另一个是流，另一个是直流分量直流分量短路电流。短路电流。定子三相对称交流分量短路电流产生直轴的同步旋转电枢定子三相对称交流分量短路电流产生直轴的同步旋转电枢反应磁场，与转子相对静止，与励磁主磁通方向相反。该磁场反应磁场，与转子相对静止，与励磁主磁通方向相反。该磁场的磁链企图穿过励磁和阻尼绕组。为保持磁链守恒，励磁绕组的磁链企图穿过励磁和阻尼绕组。为保持磁链守恒，励磁绕组和阻尼绕组将分别感应与原励磁电流同方向的和阻尼绕组将分别感应与原励磁电流同方向的直流分量直流分量电流，电流，这两电流分别产生恒定方向的直流磁链抵消定

6、子的直轴电枢反这两电流分别产生恒定方向的直流磁链抵消定子的直轴电枢反应磁场的影响。应磁场的影响。定子三相直流分量短路电流产生合成的静止磁场，相对转定子三相直流分量短路电流产生合成的静止磁场，相对转子是旋转的，它分别在励磁绕组和阻尼绕组中将感应出子是旋转的，它分别在励磁绕组和阻尼绕组中将感应出交流分交流分量量电流，二者分别产生交变的磁链抵消定子的静止磁场的影响，电流，二者分别产生交变的磁链抵消定子的静止磁场的影响，维持磁链守恒。维持磁链守恒。同步发电机稳态短路时，电枢反应同步发电机稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用，电枢反应磁通和漏磁为纯去磁作用，电枢反应磁通和漏磁通路径如图。通路径如图。电枢反应

7、磁通直接穿过阻尼电枢反应磁通直接穿过阻尼绕组和励磁绕组，路径的磁绕组和励磁绕组，路径的磁阻很小，短路电流遇到的电阻很小，短路电流遇到的电抗为数值很大的直轴同步电抗为数值很大的直轴同步电抗抗x xd d，稳态短路电流有效值，稳态短路电流有效值3电枢反应磁通的路径和同步电抗电枢反应磁通的路径和同步电抗 有阻尼绕组的同步发电机三相突然短路时，电枢反应有阻尼绕组的同步发电机三相突然短路时，电枢反应磁通被挤出阻尼绕组和励磁绕组，只能沿着阻尼绕组磁通被挤出阻尼绕组和励磁绕组，只能沿着阻尼绕组和励磁绕组漏磁路径闭合和励磁绕组漏磁路径闭合.磁路的磁阻变得很大，由于磁路的磁阻变得很大，由于路径的磁阻变大，定子绕

8、组路径的磁阻变大，定子绕组的电抗比稳态短路时的同步的电抗比稳态短路时的同步电抗大大减小，致使短路电电抗大大减小，致使短路电流很大。同步发电机此时状流很大。同步发电机此时状态称为次暂态状态，定子电态称为次暂态状态，定子电抗称为直轴次暂态同步电抗抗称为直轴次暂态同步电抗x xd d”，短路电流称为次暂态，短路电流称为次暂态短路电流短路电流当阻尼绕组中电流衰减完毕后，电枢反应磁通就能够当阻尼绕组中电流衰减完毕后，电枢反应磁通就能够穿过阻尼绕组穿过阻尼绕组(或相当于发电机无阻尼绕组状态或相当于发电机无阻尼绕组状态)，仍，仍需经过励磁绕组的漏磁路径，如图所示需经过励磁绕组的漏磁路径，如图所示此时发电机状

9、态称为暂态此时发电机状态称为暂态状态，定子电抗称为暂态状态，定子电抗称为暂态同步电抗同步电抗xd，短路电流，短路电流称为暂态短路电流称为暂态短路电流 当励磁绕组中的感应电流电流也衰减完毕后，发电机进入稳态当励磁绕组中的感应电流电流也衰减完毕后，发电机进入稳态短路状态，短路状态，稳态短路状态三相突然短路电流的表达式为三相突然短路电流的表达式为 0-转子转子d d轴与某相绕组所构成的平面之间夹角轴与某相绕组所构成的平面之间夹角时发生三相突然短路时发生三相突然短路,当当t t=T T/2/2时会现冲击电流时会现冲击电流 短路的冲击电流对电机本短路的冲击电流对电机本身和电力系统运行都会产生严身和电力系

10、统运行都会产生严重的影响。重的影响。对电机本身对电机本身影响有：定子绕影响有：定子绕组端部受到巨大组端部受到巨大电磁电磁力力的作用，的作用，使定子绕组端部使定子绕组端部弯曲，造成严重弯曲，造成严重的机械损伤；转的机械损伤；转轴受到很大冲击轴受到很大冲击转矩转矩的作用；造的作用；造成定、转子绕组成定、转子绕组发热发热。第三篇同步电机第二节 同步发电机的不对称运行 一、不对称运行分析隐极同步发电机对称运行时的电动势方程为隐极同步发电机对称运行时的电动势方程为如果发电机中点不接地，则如果发电机中点不接地，则 各序等效电路为各序等效电路为1 1正序阻抗正序阻抗正序电流流过定子绕组时所对应的阻抗就是正序

11、阻抗。正序电流流过定子绕组时所对应的阻抗就是正序阻抗。由于正序电流通过三相绕组后，产生了和转子同方向旋转的由于正序电流通过三相绕组后，产生了和转子同方向旋转的磁场，在空间和转子相对静止，不会在转子绕组中感应电动势，磁场，在空间和转子相对静止，不会在转子绕组中感应电动势，因此正序电流所对应的阻抗，就是三相同步发电机在对称稳态运因此正序电流所对应的阻抗，就是三相同步发电机在对称稳态运行时的同步阻抗，对隐极同步发电机行时的同步阻抗，对隐极同步发电机 2 2负序阻抗负序阻抗负序电流流过定子绕组所对应的阻抗就是负序阻抗。负序电流流过定子绕组所对应的阻抗就是负序阻抗。三相负序电流流过定子三相对称绕组时除了

12、产生漏磁通外三相负序电流流过定子三相对称绕组时除了产生漏磁通外,还还产生以同步速旋转的反向旋转磁场产生以同步速旋转的反向旋转磁场,与转子转向相反与转子转向相反,负序磁场以负序磁场以两倍同步速切割转子上的所有绕组两倍同步速切割转子上的所有绕组,在转子绕组中感应出二倍基频在转子绕组中感应出二倍基频的电动势和电流。由于同步发电机转子结构不对称的电动势和电流。由于同步发电机转子结构不对称,励磁绕组又只励磁绕组又只有直轴向的有直轴向的,负序阻抗将随转子的位置变化而变化。负序阻抗将随转子的位置变化而变化。一般取直轴和交轴负序电抗的平均值作为电机的负序电抗，有一般取直轴和交轴负序电抗的平均值作为电机的负序电

13、抗，有 负序电抗的范围为负序电抗的范围为 3 3零序阻抗零序阻抗零序电流流过定子绕组时所对应的阻抗就是零序阻抗。零序电流流过定子绕组时所对应的阻抗就是零序阻抗。一般，零序电抗的范围为一般，零序电抗的范围为 负序电阻比定子绕组的电阻大，它除了电枢绕组本身电负序电阻比定子绕组的电阻大，它除了电枢绕组本身电阻外，还包括定子供给转子损耗的等效电阻。阻外，还包括定子供给转子损耗的等效电阻。零序电流只产生漏磁通，不与转子交链，所以零序电阻零序电流只产生漏磁通，不与转子交链，所以零序电阻 由于三相零序电流大小相等、相位相同，建立的三个脉由于三相零序电流大小相等、相位相同，建立的三个脉动基波磁动势大小相等、空

14、间互差电角度，所以零序电流不能动基波磁动势大小相等、空间互差电角度，所以零序电流不能在气隙中建立基波磁动势及磁场，只产生漏磁通。在气隙中建立基波磁动势及磁场，只产生漏磁通。三、不对称运行对电机的影响1 1引起转子表面发热引起转子表面发热 由于负序电流所产生的反向旋转磁场以二倍同步速截切转子，由于负序电流所产生的反向旋转磁场以二倍同步速截切转子，在励磁绕组、阻尼绕组、转子铁心表面及转子的其他金属结构部在励磁绕组、阻尼绕组、转子铁心表面及转子的其他金属结构部件中均会感应倍频电流，在励磁绕组、阻尼绕组中产生额外铜损，件中均会感应倍频电流，在励磁绕组、阻尼绕组中产生额外铜损，在转子铁心中感应涡流，引起

15、附加损耗。在转子铁心中感应涡流，引起附加损耗。2 2引起发电机振动引起发电机振动 由于负序旋转磁场以二倍同步速与转子磁场相互作用，产生由于负序旋转磁场以二倍同步速与转子磁场相互作用，产生倍频的交变电磁转矩，这种转矩作用于定、转子的铁心和机座上，倍频的交变电磁转矩，这种转矩作用于定、转子的铁心和机座上，使其产生使其产生100HZ的振动。的振动。更为严重的是，汽轮发电机的励磁绕组嵌放在整块锻钢的转更为严重的是，汽轮发电机的励磁绕组嵌放在整块锻钢的转子槽中，倍频电流只能在转子表面流通，使转子表面温度过高，子槽中，倍频电流只能在转子表面流通，使转子表面温度过高，影响励磁绕组散热。环流大部分通过转子本体

16、，在端部短套箍和影响励磁绕组散热。环流大部分通过转子本体，在端部短套箍和中心环形成回路，槽楔端头和套箍可能被产生的高温烧毁中心环形成回路，槽楔端头和套箍可能被产生的高温烧毁。同步发电机的不对称运行，除了对本身有影响，还会造同步发电机的不对称运行，除了对本身有影响，还会造成电网电压不对称，直接影响负载运行。成电网电压不对称，直接影响负载运行。不对称运行不良影响的产生，主要原因是由于负序电流不对称运行不良影响的产生，主要原因是由于负序电流产生的旋转磁场的结果。电机的运行规程对长期稳定不对称产生的旋转磁场的结果。电机的运行规程对长期稳定不对称运行时定子负序电流以及负序电流在转子中引起的损耗作了运行时

17、定子负序电流以及负序电流在转子中引起的损耗作了限制。限制。为了减小负序磁场的影响，最常用的方法是在同步发电机为了减小负序磁场的影响，最常用的方法是在同步发电机的转子上装设阻尼绕组，来削弱负序磁场。在汽轮发电机中，的转子上装设阻尼绕组，来削弱负序磁场。在汽轮发电机中，整块锻钢铁心里所感应的涡流能起到一部分阻尼作用，所以一整块锻钢铁心里所感应的涡流能起到一部分阻尼作用，所以一般不装阻尼绕组，但有的大型汽轮发电机装设阻尼绕组，来提般不装阻尼绕组，但有的大型汽轮发电机装设阻尼绕组，来提高发电机承受不对称负载的能力。还有一些方法是降低与电机高发电机承受不对称负载的能力。还有一些方法是降低与电机相连的系统

18、的零序电抗、在发电机侧接入附加阻抗、调节变压相连的系统的零序电抗、在发电机侧接入附加阻抗、调节变压器的分接头、串并联电容器等。器的分接头、串并联电容器等。第三节第三节 同步发电机的失磁运行同步发电机的失磁运行 一、失磁运行电磁过程一、失磁运行电磁过程 失磁的原因很多，如：励磁绕组开路、励磁绕组短路、失磁的原因很多，如：励磁绕组开路、励磁绕组短路、灭磁开关误动作使励磁绕组经灭磁电阻闭合、运行人员误操灭磁开关误动作使励磁绕组经灭磁电阻闭合、运行人员误操作等。同步发电机失磁后，由于它还能继续向电网输送一定作等。同步发电机失磁后，由于它还能继续向电网输送一定的有功功率，一般说来，不必立刻将发电机与电网

19、解列，争的有功功率，一般说来，不必立刻将发电机与电网解列，争取在短暂的时间排除失磁的原因，这对保证安全和稳定运行取在短暂的时间排除失磁的原因，这对保证安全和稳定运行具有重要意义。具有重要意义。同步发电机失磁后便进入到的异步运行状态，此时电机从同步发电机失磁后便进入到的异步运行状态，此时电机从电网中吸取感性无功功率供定、转子励磁，同时向电网输送一电网中吸取感性无功功率供定、转子励磁，同时向电网输送一定的有功功率，成了一台吸收无功定的有功功率，成了一台吸收无功(感性感性)发送有功的异步发电发送有功的异步发电机了。机了。二、失磁运行时各表计的指示情况二、失磁运行时各表计的指示情况1 1转子励磁电流表

20、指示接近于零或等于零转子励磁电流表指示接近于零或等于零 2.2.定子电流表指示升高并有摆动定子电流表指示升高并有摆动 励磁电流表指示情况与失磁原因直接相关。如励磁回路励磁电流表指示情况与失磁原因直接相关。如励磁回路开路，则电流表指示为零。如励磁回路短路或经灭磁电阻闭开路，则电流表指示为零。如励磁回路短路或经灭磁电阻闭合，由于转子回路有交流电流，直流电流表有指示，但数值合，由于转子回路有交流电流，直流电流表有指示，但数值很小。很小。定子电流升高原因是由于失磁异步运行时，电机既要发定子电流升高原因是由于失磁异步运行时，电机既要发送有功，又要吸收大量无功电流励磁。摆动原因是由于转子送有功，又要吸收大

21、量无功电流励磁。摆动原因是由于转子中有交流电流，它与定子磁场相互作用产生交变的异步转矩，中有交流电流，它与定子磁场相互作用产生交变的异步转矩，转矩的变化又引起电流脉动。转矩的变化又引起电流脉动。3 3有功功率表指示减小并摆动有功功率表指示减小并摆动4 4发电机母线电压下降并摆动发电机母线电压下降并摆动5 5无功功率表指示负值，功率因数表指示进相无功功率表指示负值，功率因数表指示进相 电机失磁后电机失磁后,转速升高，自动调速系统将汽门自动关小，转速升高，自动调速系统将汽门自动关小，即来自原动机的输入功率减小。有功功率表摆动原因同即来自原动机的输入功率减小。有功功率表摆动原因同2 2。由于定子电流

22、增大，线路压降随之增大，所以母线电由于定子电流增大，线路压降随之增大，所以母线电压随定子电流的摆动而摆动。压随定子电流的摆动而摆动。电机失磁后，由向系统输送感性无功变为吸取感性无功，电机失磁后，由向系统输送感性无功变为吸取感性无功，故无功功率表反指故无功功率表反指(指示负值指示负值)，功率因数表由迟相变为，功率因数表由迟相变为进相进相三、失磁运行的不良影响三、失磁运行的不良影响 1 1对发电机本身的影响对发电机本身的影响(2)(2)使定子绕组温度升高使定子绕组温度升高。失磁异步运行是欠励运行的极端情。失磁异步运行是欠励运行的极端情况，定子端部漏磁通和发热显著增加。况，定子端部漏磁通和发热显著增

23、加。2 2对电力系统的影响对电力系统的影响(1)(1)转子各部分温度升高转子各部分温度升高。失磁异步运行后，励磁绕组、阻尼。失磁异步运行后，励磁绕组、阻尼绕组及转子铁心中感应出交流电流，产生附加损耗，使各绕绕组及转子铁心中感应出交流电流，产生附加损耗，使各绕组及转子铁心发热。组及转子铁心发热。发电机失磁后，不但不能向系统发送感性无功，反过来发电机失磁后，不但不能向系统发送感性无功，反过来从系统吸取感性无功，使系统出现无功差额。从系统吸取感性无功，使系统出现无功差额。当汽轮发电机失磁后，若满足下列条件，则允许发电机带一当汽轮发电机失磁后，若满足下列条件，则允许发电机带一定数量的有功负荷无励磁运行

24、一段时间：定数量的有功负荷无励磁运行一段时间：运行人员必须尽快查明失磁原因，排除故障，迅速恢复励运行人员必须尽快查明失磁原因，排除故障，迅速恢复励磁，将发电机重新牵入同步。若在这段时间内恢复不了励磁，磁，将发电机重新牵入同步。若在这段时间内恢复不了励磁，则必须作停机处理。则必须作停机处理。1 1）快速减出力到允许水平；）快速减出力到允许水平；2 2）电网应有相应的无功紧急储备，使电网电压不低于额定）电网应有相应的无功紧急储备，使电网电压不低于额定值的值的90%90%；3 3）定子电流平均值不得超过额定值的）定子电流平均值不得超过额定值的1.11.1倍；倍；4 4）定子端部结构部件和边段铁心的温

25、度不超过允许值；）定子端部结构部件和边段铁心的温度不超过允许值；5 5）转子损耗对内冷式发电机一般不超过）转子损耗对内冷式发电机一般不超过0.50.5倍额定励磁损耗；倍额定励磁损耗；6 6）失磁机组的厂用电压不得低于额定值的）失磁机组的厂用电压不得低于额定值的80%80%，低于此值时，低于此值时，自动切换到其它厂用母线上运行；自动切换到其它厂用母线上运行；第四节 同步发电机的振荡 突然改变同步电机的负载，功角及转子转速将发生振荡。振突然改变同步电机的负载，功角及转子转速将发生振荡。振荡时，发电机的转速、电压、电流、功率及转矩均发生周期性变荡时，发电机的转速、电压、电流、功率及转矩均发生周期性变

26、化，振荡的幅值甚至会达到危险的数值，对电机本身及电网均造化，振荡的幅值甚至会达到危险的数值，对电机本身及电网均造成不利影响。成不利影响。振荡运行时各表计的指示情况振荡运行时各表计的指示情况1 1定子电流表指针剧烈摆动，电流可能超过正常值定子电流表指针剧烈摆动，电流可能超过正常值2 2发电机电压表指针剧烈摆动，并经常降低发电机电压表指针剧烈摆动，并经常降低 振荡的电机与其它电机之间出现电动势差，在其作用下振荡的电机与其它电机之间出现电动势差，在其作用下又产生了环流；由于转子转速的摆动，其转矩和功率时大时又产生了环流；由于转子转速的摆动，其转矩和功率时大时小，造成环流时大时小，定子电流表指示就来回

27、摆动；环流小，造成环流时大时小，定子电流表指示就来回摆动；环流加上原来的负荷电流，定子电流有可能超出正常值。加上原来的负荷电流，定子电流有可能超出正常值。振荡时功角的变化引起电压摆动。电流的增加，阻抗压振荡时功角的变化引起电压摆动。电流的增加，阻抗压降增大导致电压下降。降增大导致电压下降。3 3有功功率表在全刻度范围内摆动有功功率表在全刻度范围内摆动4 4转子电流表、电压表指针在正常值附近摆动转子电流表、电压表指针在正常值附近摆动 振荡时发电机输出的功率随功角时大时小变化，造成功率表振荡时发电机输出的功率随功角时大时小变化，造成功率表指示全刻度范围内摆动。指示全刻度范围内摆动。振荡时，定子磁场和转子间有相对运动，在转子绕组中振荡时，定子磁场和转子间有相对运动，在转子绕组中感应交变电流，又叠加在励磁电流上，使电流表、电压表指感应交变电流，又叠加在励磁电流上，使电流表、电压表指针在正常值附近摆动。针在正常值附近摆动。