采用三相突然短路法测量同步电机参数
同步发电机突然三相短路分析-第二讲资料
iD iD iD
；
2.磁链轴线在q轴方向的称为交轴阻尼绕组Q，
iQ iQ
；
定、转子回路电流分量的对应关系:
自由电流分量：维持绕组本身磁链不突变而感生的电流， 其衰减主要由该绕组的电阻所确定； 强制电流分量：由电势产生的电流。
定、转子回路电流分量的衰减关系:
所经的磁路为绕励磁绕组外侧， 其对应的电压降为 I xad ，则电压方程为
jI x jI x 0 E ad q0
I Id Eq 0 xd
短路电流基频交流分量的初始值:
计及阻尼回路时基频交流分量初始值
Eq 0 xd
I”
：
I I d
依然存在；
2. 定子三相交流产生去磁的旋转磁场 Ψad= -ψ0, 其突然 穿越励磁绕组，则励磁绕组要保持磁链不突变，需感生 直流电流 i f ；
4. i f i f 0 i f i f
阻尼回路电流分量 :
i2 按定子回路时间常数 Ta 定子绕组自由分量电流 i、 i D、 iQ也按 Ta 衰减，所以，由静止磁场引起的转子电流 i f、 衰减；
维持转子绕组磁链不突变的自由分量电流i f 、i D 起 到励磁电流的作用，其衰减变化引起定子周期分量电流 由初始的 I 衰减到 I
起始
I
阻尼电流衰减完毕
I
Td
阻尼电流衰减完毕
I
Td
稳态 I
短路电流的近似公式 :
基频交流分量电流的近似公式 ：
t Td t Td
I m (t ) ( I I )e
( I I )e
同步发电机参数的测量
同步发电机同步发电机参数第13章三相同步发电机的参数测定所属专题：同步发电机发布时间：2014/8/2 15:54:12第13章三相同步发电机的参数测定原理简述各种电抗是定量分析同步电机性能的有用参数。
同步电机的参数主要有；（1）同步电抗等。
本次实验介绍同步发电机中最基本和常用的几个参数的测量方法。
一、同步电抗的求取如前述实验，可通过空载、稳态短路实验求出。
而利用转差率实验可以同时测出凸极式同步电机的直轴、交轴同步电抗的不饱和值。
转差率实验的作法是：把被试同步电机的励磁绕组开路，即不加励磁；原动机拖动转子以接近同步速旋转，约有左右，以避免转子被拖入同步，但其相序须保证电枢旋转磁场的转向与转子转向一致。
此时定子旋转磁场便以转差率速度切割转子。
当定子磁场轴线与转子直轴重合时，电抗达最高值，电枢电流便有最小值。
当定子磁场轴线与转子的交轴重合时，电抗达最低值，而电枢电流便有最大值。
由于线路中电压降的影响，随着电枢电流的变化，定子绕组上测得的电压也有相应的、较小幅度的变动，显然电枢电流有最小值时电压为最大，电枢电流有最大值时电压为最小。
电枢电流和端电压波动的频率正比于转差率。
由于转差率很低，电流表和电压表的指针摆动位置可以被清楚地读取，即记录出各最大电流，电压和最小电流、电压值。
设读取的数据为每相值，则每相同步电抗为：二、负序电抗研究电机不对称运行最有效的方法是对称分量法。
即把不对称的三相电压或三相电流分解为正序、负序和零序分量。
然后对各个分量分别建立方程并求解，最后迭加起来得到最后结果。
对不同相序的电流来说，同步电机的电抗也就有不同数值。
若定子电流为一稳定的对称三相电流，这时定子电流仅有正序分量，所遇到的电抗就是前述的同步电抗，其电抗的测取方法前已介绍。
故正序电抗值等于同步电抗值。
定子三相电流若不对称时则存在负序电流，由于负序电流所产生的旋转磁场与转子转向相反，此反向旋转磁场以两倍同步速度切割转子绕组（包括励磁和阻尼绕组），在其中感应一个两倍频率的交变电势。
6.3 同步发电机突然三相短路的物理过程及短路电流分析
6.3 同步发电机突然三相短路的物理过程及短路电流分析6.3.1 同步发电机在空载情况下突然三相短路的物理过程上一节讨论了无限大电源供电电路发生三相对称短路的情况。
实际上电力系统发生短路故障时，大多数情况下作为电源的同步发电机不能看成无限大容量，其内部也存在暂态过程，因而不能保持其端电压和频率不变。
所以一般在分析和计算电力系统短路时，必须计及同步发电机的暂态过程。
由于发电机转子的惯量较大，在分析短路电流时可以近似地认为发电机转子保持同步转速，只考虑发电机的电磁暂态过程。
同步发电机稳态对称运行时，电枢磁势的大小不随时间而变化，在空间以同步速度旋转，由于它与转子没有相对运动，因而不会在转子绕组中感应出电流。
但是在发电机端突然三相短路时，定子电流在数值上将急剧变化。
由于电感回路的电流不能突变，定子绕组中必然有其它自由电流分量产生，从而引起电枢反应磁通变化。
这个变化又影响到转子，在转子绕组中感生出电流，而这个电流又进一步影响定子电流的变化。
定子和转子绕组电流的互相影响是同步电机突然短路暂态过程区别于稳态短路的显著特点，同时这种定、转子间的互相影响也使暂态过程变得相当复杂。
图6-6 凸极式同步发电机示意图图6-6为凸极同步发电机的示意图。
定子三相绕组分别用绕组，，表示，绕组的中心轴，，轴线彼此相差120o。
转子极中心线用轴表示，称为纵轴或直轴；极间轴线用轴表示，称为横轴或交轴。
转子逆时针旋转为正方向，轴超前轴90o。
励磁绕组的轴线与轴重合。
阻尼绕组用两个互相正交的短接绕组等效，轴线与轴重合的称为阻尼绕组，轴线与轴重合的称为阻尼绕组。
定子各相绕组轴线的正方向作为各绕组磁链的正方向，各相绕组中正方向电流产生的磁链的方向与绕组轴线的正方向相反，即定子绕组中正电流产生负磁通。
励磁绕组及轴阻尼绕组磁链的正方向与轴正方向一致，轴阻尼绕组磁链的正方向与轴正方向一致，转子绕组中正向电流产生的磁链与轴线的正方向相同，即在转子方面，正电流产生正磁通。
第二章同步发电机突然三相短路分析
阻尼回路电流分量
• 一般将阻尼条构成回 路的等值绕组称为直 轴阻尼绕组D，铁芯 中涡流回路的等值绕 组称为交轴阻尼绕组
Q。
• 凸极机转子磁极上
两端短接的阻尼条和
隐极机转子铁芯中涡
流回路在正常稳态运
行时是没有电流的，
而在暂态过程中会感
生电流。
第二章同步发电机突然三相短路分 析
由图2-1：定子短路电流和励磁回路电流，在突然短 路瞬间均不突变，即三相定子电流均为零（空载）， 励磁回路电流等于初始值。
第二章同步发电机突然三相短路分 析
第2节 同步发电机空载下三相短路假设 • 1、同步发电机是理想电机 • 2、暂态过程中同步发电机保持同步转速 • 3、发生短路后励磁电压恒定 • 4、短路发生在发电机的出线端口
短路电流产生的磁通
ai
a0
a
|
0
|
b i b 0 b |0 |
ci
c0
c |0 |
短路电流直 流分量产生
的磁通
主磁通交链到A相绕组的第磁二章通同仍步在发变电化机，突然三相短路分 为抵御这种变化感言析出了短路电流
短路电流 交流分量 产生的磁 通
直流
三相的直流合成为一个在空间静止的磁势，该静止的磁 势遇到的磁阻是周期变化的（因为转子的直轴和交轴的 磁阻即暂态磁阻是不同的），周期为180度电角度，频 率为两倍于基频。 因而，为产生恒定的磁链，磁势的大小随磁阻作相应的 变化，即直流电流的大小不是恒定的，而是按照两倍基 频波动。也可理解第为二章：同步直发流电机+突两然三倍相短频路交分 流
计及阻尼回路时基频交流分量初始值
右图示出计及阻尼 绕组D时，突然短 路瞬间定子电枢反 应磁通 a d 的磁路路 径。由于阻尼绕组 D也要维持其磁链
同步发电机三相短路分析-14页
二、无阻尼绕组发电机突然三相短路分析
1、暂态电抗和暂态电势（若考虑阻尼绕组则称为次暂态）
d xdid xad i f q xqiq
f xad id x f i f
xd xad xa x f xad x f
d ( xa xad )id xad i f xaid xad (i f id ) f xad id ( xad x f)i f xad (i f id ) x fi f
时，标么值为1 。
于是经过派克变换后：
uu qd
r
r
iiqd
qd
qd
u 0 u f
r rf
i i
0 f
0f
0 0
0
0
rD
iD
rD 0
D Q
0 0
i0
1 3
(i
a
ib
ic ) 为瞬时值
1． 磁链的正方向与绕组的轴线方向相同； 2． 绕组电流方向
定子：按去磁规律来定义； 转子：按助磁规律来定义； 3． 绕组电压方向 定子：发电机规律来定义； 转子：电动机规律来定义。
四、同步机的电压和磁链方程
1. 电压方程 定子侧：
a ia r ua
转子侧：
u f rf i f f
直轴阻尼绕组：0 rDiD D 交轴阻尼绕组：0 rQiQ Q 所以可列出六个回路的电压方程：
磁链，画出相量图，等值电路。额定满载U 1、 I 1
2－3 同步发电机突然三相短路分析
一、同步机突然三相短路的暂态过程分析
空载情况下：0 xad I f (0)
a 0 cos(t 0 )
b 0 cos(t 0 1200 )
c 0 cos(t 0 1200 ) t 0 时，突然三相短路。 定子绕组磁链的变化：磁链守恒（短路瞬间） t 0 ，a0 0 cos0 、b0 0 cos(0 1200 ) 、c0 0 cos(0 1200 )
13_三相突然短路和瞬变参数1
r = 0 R fd = 0
puq0 − ud 0
突然短路引起的变化部分
突加与短路前端电压大小相等、方向相反的三 相电压（励磁电压ufd=0） l 定子故障电流的起始值：
pxq ( p ) + r u d 0 + xq ( p ) u q 0 id ( p ) = pxd ( p ) + r pxq ( p ) + r + xd ( p ) xq ( p )
同步电机突然三相短路 和瞬变参数
¢
突然三相短路的危害
l
对电机
•冲击电流的电磁力（对定子端部） •冲击交变转矩（对转轴和定子机座）
l
对电力系统
•电压下降导致发电机失步，破坏系统的稳定
¢
研究突然三相短路的意义
为电机的设计、运行和保护提供依据 l 可导出电机的重要参数
l
同步电机突然三相短路 和瞬变参数
¢
D( p ) = pxd ( p ) + r pxq ( p ) + r + xd ( p ) xq ( p ) = 0
— — 方程难求解（阶次＞３） 解析式复杂，物理过程不直观
• 数学推导与物理概念相结合的近似方法 — — 三要素法
•起始值f ( 0+ )，稳态值f (∞)，时间常数 τ •得到f( t )： 一阶电路：
uq = pΨ q + Ψ d − r ⋅ iq = −uq 0
Ψ d = − x d ( p ) id Ψ q = − xq ( p ) iq
xl
id
X fdl
定（转）子电流的
电力系统暂态分析：第二章 同步发电机突然三相短路分析1
的近似分析
• 一、同步机特点 • 1、转子是旋转的。 • 2、绕组是分散的。 • 3、存在磁饱和现象。 • 二、假设 • 1、忽略磁饱和现象，在分析中可以应用叠加原理； • 2、绕组都是对称的，即电机转子在结构上对本身的直
根据相量图可得短路前的量
•
•
•
•
•
•
E q 0 j I d 0 xad j I d 0 x E q 0 j I d 0 xd U q 0
•
•
•
•
0 j I q 0 xaq j I q 0 x 0 j I q 0 xq U d 0
隐极机
凸极机
凸极机
四、电流感应过程：原理如下： 对突然短路暂态过程进行物理分析的理论
ci c0 c 0
• a相电流所应产生的磁链包含两个分量， • 一个是恒定的，等于Ψa︱0︱ ， • 一个是交变的，与Ψa 0大小相等，方向相反。
ai a0 a 0
bi b0 b 0
• 同步发电机的绕组图
2008.3
同步发电机的基本方程、参数和 等值电路
• 6绕组模型，定子abc三相绕组，励磁绕组ff，d轴
阻尼绕组DD，q轴阻尼绕组QQ • 定子各相绕组轴线的正方向为各相绕组的磁链正
方向 • 定子正电流产生负磁链，转子正电流产生正磁链 • 定子流出正电流
2008.3
同步发电机的基本方程、参数和 等值电路
• 不计饱和时
Ead ad Fad Id Eaq aq Faq Iq
•
•
•
Ead j Id xad
•
•
Eaq j Iq xaq
同步电机实验
同步电机实验5-1三相同步发电机的运行特性一、实验目的1、用实验方法测量同步发电机在对称负载下的运行特性。
2、由实验数据计算同步发电机在对称运行时的稳态参数。
二、预习要点1、同步发电机在对称负载在下有哪些基本特性？2、这些基本特性各在什么情况下测得？3、怎样用实验数据计算对称运行时的稳态参数？三、实验项目1、测定电枢绕组实际冷态直流电阻。
2、空载实验。
在n=n N、I=0的条件下，测取空载特性曲线U O=f（I f）。
3、三相短路实验。
在n=n N、U=0的条件下，测取三相短路特性曲线I K=f（I f）。
ϕ0的条件下，测取纯电感负载特性4、纯电感负载特性。
在n=n N、I=I N、cos≈曲线。
5、外特性。
在n=n N、I f=常数、cosϕ=1和cosϕ=0.8（滞后）的条件下，测取外特性曲线U=f（I）。
6、调节特性。
在n=n N、U=U N、cosϕ=1的条件下，测取调节特性曲线I f=f（I）。
四、实验方法1、测定电枢绕组实际冷态直流电阻被试电机为三相凸极式同步电机，选用DJ18。
测量与计算方法参见实验4-1。
2、空载实验1）按图5-1接线，校正过的直流电机MG按他励方式联接，用作电动机拖动三相同步发电机GS旋转，GS的定子绕组为Y型接法（U N=220V）。
图5-1 三相同步发电机实验接线图2）调节M12组件上的24V励磁电源串接的R f2至最大位置（用M13组件上的90Ω与90Ω并联），调节MG的电枢串联电阻Rst至最大值（用D44上的180 Ω阻值）、断开开关S1、S2。
将控制屏左侧调压器旋纽向逆时针方向旋转退到零位，检查控制屏上的电源总开关、电枢电源开关及励磁电源开关都须在“关”断的位置，做好实验开机准备。
3）接通控制屏上的电源总开关，按下“开”按钮，接通励磁电源开关，看到电流表A2有励磁电流指示后，再接通控制屏上的电枢电源开关，启动MG。
MG启动运行正常后，把R st调至最小，调节R f1使MG转速达到同步发电机的额定转速1500转/分并保持恒定。
第607_同步发电机三相突然短路
必是一组直流电流称为电枢电流的直流分量，或非周
期性分量，用 iAz , iBz , iCz 表示。
由三相对称电流所产生的合成磁砀对某一相磁链的瞬
时值与该相电流的周期性分量的瞬时值成正比，而三相
非周期性电流 iAz , iBz , iCz 满足了短路一瞬间各相绕组电 流不能突变和磁链守恒原理。
iA~ I m sin t iAz 0 周期性 iB ~ I m sin(t 120) 非周期 分量 性分量 iBz 0.866 I m i I sin(t 240) i 0.866 I m C~ m Cz iA I m sin t 电枢中 i I sin(t 120) 0.866 I B m m 的电流 iC I m sin(t 240) 0.866 I m
某种原因，使和它交链磁链按 (t ) 规律变化，则在
超导体中感应一电势、电流，相应产生一磁链 a (t )
d( 0 (t ) a (t )) e Rai 0 dt 则 0 (t ) a (t ) =常数
0 (t ) a (t ) (0)
这就是超导闭合回路磁链守恒原理。
1 X d X 1 1 1 X ad X F X Z
Xd
X
X ad
X
X fσ
X Ddσ
X d X
1 1 1 X ad X F
Xd
X ad
X
X fσ
X d X X ad
Xd
X ad
如果突然短路不是发生在电枢端点上，由于线路电
念上进行解释，并导出突然短路时，在各绕组中出现
的短路电流。
课件：第14讲-同步电机三相短路分析及系统三相短路电流的计算
求得：
U A0
U A0
UE X ad
X fl / / X Dl X fl / / X Dl
X fl
X Dl X ad
UE
UE U A0
X X fl ad X X fl Dl X ad X Dl X fl X Dl
三相短路瞬间的等值电路
• 短路前后气隙磁场产生的等效电压不变
I
X
2 ad
=X d
X
2 ad
Xf
励磁绕组短路时，定子
绕组等效电抗
X
' f
X fl
1
1
1
X ad X dl
X fl
X ad
X dl
X
f
Xd
X
2 ad
Xd
Xf
X
2 ad
Xd
定子绕组短路时，励磁 绕组等效电抗
对于q轴，忽略阻尼绕组后，只有定子q绕 组，因此q轴暂态电抗就是q轴同步电抗xq。
暂态过程中短路电流衰减的时间常数
发电机空载运行时，定子侧看d轴三绕组等值电路
类似三绕组变压器：励磁绕组与D阻尼绕组、定
子d绕组
uf
q
q iq
uq
Q iQ
d
id ud
d
uf if f
iD
D
X dl
U A0
X fl
X Dl X ad
UE
0
i0
u 0
气隙磁场产生的等效电压
UA0为空载电压
各量为直流量，按直流电路，求解
X dl
绕组空载电压为 UA0
同步发电机机端三相短路分析 及系统三相短路电流的计算
Three-phase Short Circuit Analysis of Synchronous Machine And Calculation of Power System Three-phase Short Circuit