第六篇电机的共同问题1

第六篇电机的共同问题前面几篇分电机的种类进行了讨论，本篇主要讨论几种电机的共同问题，包括不对称运行、热交换和机电能量转换原理等。前面所研究的内容都是在对称三相电压供电的情况下，在实际中，电源电压可能会出现不对称的情况，将给电机的运行带来一些不良的影响。各种电机中都存在各种损耗，这些损耗将转化为热能，使电机的温度升高。当温度超过一定限度时，绝缘材料将迅速老化，减少电机的使用寿命。除了要减少损耗外，还要改善冷却条件，使热量有效的散发出去。前面只分析了几种经典类型的电机，还有其他种类的机电能量转换装置，它们的用途和结构虽然各有差别，但其基本原理却是相同的。本篇将进一步研究各种旋转电机中机电能量转换的原理；能量转换过程，耦合场的作用，并导出能量转换的条件，以及此条件在各种电机中的具体体现；使读者对各种电机中的能量转换机制有一个总体概念，并为今后分析各种特殊和新型电机提供理论基础。250251第一章电机的不对称运行在实际运行中，电源电压可能会出现不对称的情况，如带有较大的单相负载，如单相电炉、电焊机和电力机车等，或者照明负载三相分布不平衡，或者一相断电检修，或者由于雷击、碰线等事故而引起的不对称短路等。不对称运行会使电机损耗增大，效率降低，温度升高，引起振动和过电压，甚至无法正常工作，因此需要研究电机的不对称运行。分析交流电机不对称运行的主要方法是对称分量法。第一节对称分量法对于三相对称电路，若外加电源不对称，总可以把不对称的电源电压分解成正序．．、负．序．和零序．．三组对称电压；即：A02B02C0UUUUUaUaUUUaUaUU（6-1-1）式中，U、Ua2、Ua为一组对称的正序电压，其中B相的正序电压Ua2滞后于A相正序电压U以120˚，C相正序电压Ua又滞后于B相正序电压Ua2以120˚；U、Ua、Ua2为一组对称的负序电压，其中B相的负序电压Ua超前于A相负序电压U以120˚，C相负序电压Ua2又超前于B相负序电压Ua以120˚；0U为零序电压，三相的零序电压为同大小、同相位，故零序电压实质是一组单相电压；a=ej120˚为复数算子。U、U、0U就称为原来的不对称电压的对称分量．．．．，如图6-1-1所示；求解式（6-1-1），可得不对称电压的正序、负序和零序分量为：2ABC2ABC0ABC1()31()31()3UUaUaUUUaUaUUUUU（6-1-2）对于电流，同样可以有式（6-1-1）和式（6-1-2）这样的分解和合成。当电机为对称，且不考虑饱和时，我们可以应用叠加原理。首先将不对称的电压分解为对称分量，分别求出正序、负序和零序电压在电机中所产生的各序电流和转矩，然后把它们叠加起来，得到总的电流和转矩，这就是对称分量法。所以对称分量法的实质就是，252把一个不对称运行问题分解成正序．．．．．．．．．．．．．．．、负序和零序三个彼此独立的对称运行问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．，再把结果．．．．叠加．．。由于计算对称问题时，只要抽出一相计算即可，故整个计算得以简化。各序电流单独流过电机时，所遇到的阻抗称为相序阻抗。正序电流所遇到的阻抗称为正序阻抗；负序电流所遇到的阻抗称为负序阻抗；零序电流所遇到的阻抗称为零序阻抗。电机中各相序阻抗是不同的，尤其是旋转电机，因此应用对称分量法就更加必要。[例6-1-1]有一组三相不对称电流，AI=500/0°A，BI=520/-125°A，CI=49/-235°A试求这组电流的对称分量。解根据对称分量的计算公式，可知正序分量、负序分量和零序分量分别为：2ABC11()(500/0/120520/125/240490/235)331(500520/5490/5)502.05/0.1A3IIaIaI2ABC11()(500/0/240520/125/120490/235)331(500520/115490/115)26.02/19.95A3IIaIaI0ABC11()(500/0520/125490/235)28.84/16.65A33IIII第二节变压器的不对称运行当变压器不对称运行时，由于内部的漏阻抗压降较小，故电流不对称对电压的不对称度影响不大；但在某种绕组联结（例如Y，yn联结）和某些磁路系统（例如各相具有独立的磁路）时，负载的不对称可能引起电压的显著不对称，致使变压器无法正常工作。a)b)c)d)图6-1-1不对称电压与对称分量的关系a)正序分量b)负序分量c)零序分量d)对称分量合成aU2aUUaUU2aU0UBUUCUUAU0U253一、变压器的相序阻抗1．正、负序阻抗由于变压器是静止的，正、负序电流均是对称的，仅存在B相超前还是C相超前的差别，对变压器的电磁本质没有什么不同，因此正、负序系统的等效电路相同，与以前所讨论的对称系统等效电路是一样的，正、负序阻抗相等，即Z-=Z+。2．零序阻抗零序阻抗比较复杂，不仅与三相变压器绕组的联结方式有关，而且与磁路的结构有关。绕组联结方式的影响三相绕组的联结方式不会影响漏阻抗的大小，但对零序电流的流通影响很大。对于Y联结，三相同相位的零序电流不能流通，因此在零序等效电路中，Y联结的一侧电路应是开路，即从该侧看进去的零序阻抗Z0=∞；对于YN联结，三相零序电流可沿中线流通，因此YN联结的一侧电路应为通路；对于D联结，三相零序电流可在D绕组内流通，但从外电路看，零序电流既不能流进，也不能流出，因此联结一侧相当于变压器内部短接，但外部看进去应是开路。图6-1-2~6-1-5是几种典型联结时的零序等效电路，图中，a)是零序电流的流通情况，b)是零序等效电路。AaZ1Z2＇3I0Z0≈Zm0Z0=∞Zm0CBcba)b)图6-1-3YN，y联结时的零序等效电路AaZ1Z2＇3I0Z0=∞Z0≈Zm0Zm0CBcba)b)图6-1-2Y，yn联结时的零序等效电路AaZ1Z2＇3I0bZ0≈Zm0Z0=∞Zm0CBca)b)图6-1-4YN，d联结时的零序等效电路254磁路结构的影响在零序等效电路中，零序电流的励磁阻抗Zm0与磁路的结构有很大关系。三相变压器组的各相磁路独立、彼此无关，三相零序电流产生的三相同相位的零序磁通可沿各相自己的铁芯闭合，其磁路为主磁路，因此零序励磁阻抗与正序励磁阻抗相同。即m0mmmjZZRX（6-1-3）三相芯式变压器的各相磁路互相关联，三相零序磁通不能沿铁芯闭合，只能象三次谐波磁通那样沿油箱壁闭合，其磁阻比较大，因而零序励磁阻抗比较小，一般电力变压器，Zm0*=0.3~1.0，平均值为0.6；而Zm*=20以上，Zk*=0.05~0.1，可见Zm＞＞Zm0，Zm0更接近于Zk的大小。零序阻抗的测定YN，d和D，yn联结的三相变压器Z0=Zk，无需另行测量。Y，yn联结的三相变压器Z0的测量方法是：把二次侧三个绕组首尾串联接到单相电源上，以模拟零序电流和零序磁通的流通情况，一次侧开路，如图6-1-6所示。测量电压U、电流I和功率P，则从二次侧看的零序阻抗IUZ30，203IPR，20200RZX（6-1-4）对于YN，y联结的三相变压器，将一次侧绕组串联，二次侧绕组开路，便可测出从一次侧看的零序阻抗。二、单相运行只分析三相变压器Y，yn联结的单相运行，线路如图6-1-7所示。单相负载ZL接在a相。为方便起见，将一次侧各量折算到二次侧。首先按端点条件列出二次侧方程aII，bc0II，aLUIZ（6-1-5）将二次侧电流分解为对称分量AaZ1Z2＇bZ0=∞Z0=∞Zm0CBca)b)图6-1-5Y，d联结时的零序等效电路aAWV~cb图6-1-6测量零序励磁阻抗的线路图AaZLCBcb图6-1-7Y，yn联结时的单相运行aIICIBIcIbIaIAI2552abc2abc0abc11()3311()3311()33IIaIaIIIIaIaIIIIIII（6-1-6）在忽略励磁电流的情况下，一次侧折算电流II，II。由于一次侧为Y联结，相电流只有正序分量和负序分量A22B22C2()31()31()3IIIIIIIaIaIaIaIIIaIaIaIaII（6-1-7）由于一次侧外加电压为对称系统，故只有正序电压，而没有负序分量和零序分量。但由于负载电流不对称，在二次侧会产生负序电流和零序电流及相应的磁通，它们会在一次侧、二次侧绕组中产生负序电动势和零序电动势。一次侧的负序电流能以电源为回路。由于一、二次侧负序电流产生的磁动势平衡，负序压降仅为负序阻抗压降，其值不大。零序的情况则不相同，由于零序电流只能在二次侧流通，在一次侧电路中虽有零序电动势，却无零序电流。因此二次侧的零序电流全部为励磁电流，一次侧的零序电压即为零序电动势。Y，yn联结时各相序等效电路如图6-1-8所示。各相序电压平衡方程式为kk0020UUIZUIZUIZE（6-1-8）而000m0UEIZ（6-1-9）二次侧的三相电压为(a)(b)(c)图6-1-8Y，yn联结时各相序等效电路m0IUIIUII0Um0EUm0ZkZkZ1Z2Z256a02b02c0UUUUUaUaUUUaUaUU（6-1-10）只考虑a相，则由端点条件有aaLUIZ（6-1-11）以对称分量表示00L()UUUIIIZ（6-1-12）考虑到式（6-1-6）和式（6-1-8）经整理后得0k2m0L23UIIIZZZZ（6-1-13）相应的等效电路如图6-1-9所示。式中参数均为已知，电源相电压、负载阻抗也为已知，于是可求出各序电流及负载电流0k2m0L323UIIIIZZZZ（6-1-14）当ZL=0时即发生单相短路事故。由于Zk＜＜Zm0，Z2＜＜Zm0，如果忽略Zk和Z2，则m0Lm0L3133UUIZZZZ（6-1-15）三、中点漂移忽略Zk和Z2后，一、二次侧相电压相等，考虑式（6-1-8）和式（6-1-10）的关系，有a0A2b0Bc0CUUEUUaUEUUaUEU（6-1-16）由式（6-1-16）可以画出简化相量图，如图6-1-10所示，可见，尽管外加线电压对称，当二次侧接单相负载后，在每相上叠加有零序电动势，造成相电压不对称。在相量图中表现为相电压中点偏离了线电压三角形的几何中心，这种现象称为中点漂移．．．．。中点漂移的程度取决于Em0及零序电流的大小和磁路结构。如果是三相芯式变压器，由于零序磁通遇到的磁阻较大，Zm0较小，因此只要适当限制中线电流，则Em0不致太大，所造成的相电压偏移不大。负载电流的大小主要决定于负图6-1-9Y，yn联结时带单相负载的等效电路图6-1-10Y，yn连接时带单相负载的相量图m0IkZkZ1Z2ZL3Zm0ZU3IUIIaUUII0Um0EB+UC+UA+U0E0E0E0EIaUaCUUbBUU0257载阻抗ZL，因此这种结构的三相变压器可以带一相到中点的负载。如为三相变压器组，零序磁通遇到的磁阻较小，Zm0=Zm。很小的零序电流就会产生很大的零序电动势，造成中点漂移较大，相电压严重不对称。负载电流的大小主要受Zm0的限制，即使负载阻抗ZL很小，负载电流也不大。在极端的情况下，如一相发生短路，ZL=0，则Am3UI