异步机状态的能量观及其对同步发电机不对称短路的启示_程小华.pdf

（）年第期第卷（总第期）异步机状态的能量观及其对同步发电机不对称短路的启示程小华（华南理工大学电力学院，广东广州）摘要从能量（功率）的角度，详尽分析了异步机全部五种状态的特征。特別值得强调的是制动状态的特征：从定子和转子两个方向汲取功率，用于转子绕组的铜耗。该铜耗转化为热能，导致转子绕组过热，甚至被烧毁。从中得到对同步发电机不对称短路的启示：负序猛于虎，千万要当心。关键词异步机；能量观；转子铜耗；电磁功率；转换功率；同步发电机；不对称短路：中图分类 号：文献标识码：文章编号：（）（，）（），？，？，？；引言转差率是异步机，乃至交流电机（考虑到同步发电机失磁和不对称短路），最基本、最重要的变量。如果把￥看作一个数轴，那么和￥这两个 特殊的点，把 整个数轴分为三段：（，），（，）和（，）。这三段，文献？分别称之为电磁制动状态（或简称电制动状态、制动状态），电动机状态（或简称电动状态），发电机状态（或简称发电状态）。因此，一般都说异步机有三种运行状态。这是一种狭义的说法。如果把和这两个特殊的点也分别看作两个特殊的运行状态（同步状态和堵 转状态），那么，异步机就有五种状态了，按由大到小的顺序分别是：制动状态、堵转状态、电动状态、同步状态、发电状态。这是一种广义的说法。本文采纳这种说法，因 为它具有完备性，囊括了的所有取值。本文提出并回答两个问题：（）从能量的角度来观察时，异 步机的五种状态各有何特征？（）异步机的能量观对同步发电机不对称短路有何启示？为使行文尽量简洁，在不引起歧义时，本文有时把“机械”简为“机”，譬如“机械功率”简为“机功率”；“机械损耗功率”简为“机损功率”、“机耗功率或者“机损“机耗”等。年第期第卷（总第期）（）异步机的功率公式、等值电路及全数轴矩差特性为帮助分析，下面给出异步机的功率公式、等值电路及全数轴矩差特性，分别如式（）、式（）、式（）、式（）、式（）、式（）、图、图所示。（），（）（）（）（）（）（）（）（）为了简便，本文把图中代表机械功率的 电阻记为尺、，称之为机械等值电阻，简称等值电阻图异步机的全数轴矩差特性（五种状态）异步机各 状态的等 值电阻、转子电流、转换功率及电磁功 率率，仍然记为尸？。电动状态时，通过气隙磁场，从定子输送到转子的 电功率，称为电磁功率。发电状态时，电磁功率表现为通过气隙磁场，从转子输送到定子的电功率。电磁功率的正负，可以根据式（）判断；转换功率的正负可以根据式（）判断。不难确定等值电阻、转子电流、转换功率、电磁功率的取值，如表所示观察表，可以发现异步机的一些特征如下：（）从等值电阻的 角度看，异步机可以分为 四种状态：正、负、零、无穷大。这里的“正”表示“正有限值”；同样，“负”表示“负 有限值”；无穷大包括负无穷大、正无穷大，两个无穷大都对应同步状态。（）分别从电磁功率、转换功 率的角度看，异步机都可以分为三种状态：正、负、零。但，电磁功率和转换功率，不一定同正，不一定同负，也不一定同零，具体可见表。（）从电磁功率和转换功率的组合看，有五种组合：同负，对应发电状态；同零，对应同步状态；同正，对应电动状态；一正一零，对应堵转状态；一正一负，对应制动状态。（）从等值电阻、转子电流、转换功率、电磁功率等四个物理量的取值看，五种状态都是彼此 不同的，换句话说，没有两种状态是全同的。相似度最高的两种状态是：发电和制动。这两种状态的四个物理量的取值，三个是相同 的，只有一个不同，那就是电磁功率：发电为负，制动为正。表异步机各状态的转子电流、等 值电阻及转换功率转差转子等值转子转换电磁机状率转速电阻电流功率功率态发电（，）（）负非负负同步电动（，（，汀）正非正正堵转非正制动（，）（，）负非负正下面的讨论中，以电动状态为参考，即：以电动状态的 电磁转矩为正，电磁功率为正，等等。电动状态时，等值电阻上所消耗的功率就是由电功率转换而来的机械功率，称之为转换功率（文献第页）。发电状态时，等值电阻上所发出 的功率就是由机械功率转换而来的 电功异步机五种状态的能量特征异步机发电状态的能量特征异步机处于发电状态时，有如下几个特征（参见图）：（）原动机从轴上向异步机输人机功率弋。（）尽扣除机耗。后，得到转换功率（）年第期第卷（总第期）。扣除转子铜耗后，得到电磁功率。（）扣除定子铜耗、铁耗后，得到输出功率 尽。上述几点可用下式表达尸（）（）（）异步机同步状态的能量特征异 步机处于同步状态时，有如下几个特征（参见图）：（）原动机拖动异步机以同步速旋转，从轴上向异步机输入机功率。（）机功率扣除机耗。后，刚好为零。（）由于转子以同步速旋转，故转子绕组中无感应电势、感 应电流。因此，转子铜耗为零，电磁功率为零。（）异步机定子绕组从电源汲取功率，以维持定子铜耗铁耗。上述几点可用下式表达尸尸尸（），（）（）异步机电动状态的能量特征异步机处于电动状态时，有如 下几个 特征（参见图）：（）电源向异步机定子绕组输入电功率巧。（）扣除定子铜耗、铁耗后，得到电磁功率（）扣除转子铜耗后，得到转换功率。（）扣除空载损耗后，得到输出功率。上述几点可用下式表达￥（）异步机制动状态的能量特征异步机处于制动状态时，有如下几个特征（参见图）：（）电源向异步机定子绕组输入电功率。（）扣除定子铜耗、铁耗外后，得到电磁功率匕！，即：户？。（）扣除转子铜耗后，得到转换功率。，即：圪。由于转换功率为负（请见表），所以，该式可改写为：），即。扣除空载损耗后，得到输出功率，即：。内。由于）恒正，为负，故为负，卩，异步机转轴不是向外输出机功率，而是相反，异步机转轴被输人机功率。这个输入的机功率 实际上就是异步机，或者异步机机组（当异步机带有负载时）的旋转动能。因此，该式可改与为：。，艮：上述几点可用下式表达￥（）（）（）式（）、式（）、式（）的意义是：异步机处于制动状态时，一方面从电源汲取电磁功率，另一方面，汲取源于异步机组旋转动能的扣除空载损耗。后的机功率，两者都消耗在转子电阻上。因此，转子的发热十分地严重。如果不采取限流措施，转子有可能被烧毁！同步发电机转子被烧毁的原因及异步机状态能量观的启示（），（）异步机堵转状态的能量特征异步机处于堵转状态时，有如下几个特征（参见图）：（）电源向异步机定子绕组输入电功率。（）扣除定子铜耗、铁耗后，得到电磁功率。扣除转子铜耗后，刚好为零。异步机转轴被卡死，转子转速为零，机损为零，异步机通过转轴输出 的功率为零。上述几点可用下式表达尸（）尸（），尸（）用异步机状态能量观解释同步发电机不对称短路时转子被烧毁的现象文献第页指出：这个电流（指同步发电机的不对称短路电流）比额定值小很多，对定子影响虽不大，但对转子的影响可就大了，结果把转子烧毁了。那么，这个现象如何解释呢？兹利用异步机状态的能量观解释如下。（）同步发电机发生不对称短路时，定子绕组中会出现负序电流。（）负序电流建立反向旋转磁场（简称反旋磁场）。（）反旋磁场与正转转子构成一合转差 率等 年第期第 卷（总第期）（）于的异步机，相当于异步机处于制动状态，而且转差 率。（）用代入式（）得：之？。这就意味着此时的同步发电机，一方面汲取从定子经气隙传到转子绕组的电磁功率，另一方面，汲取源于同步发电机机组旋转动能的扣除空载损耗。后的机功率？。（这个在转差率为时刚好与电磁功率相等），两者都消耗在转子电阻上，转化为热能。因此，转子的发热十分地严重，足以导致转子绕组被烧毁。异步机状态能量观的启示通过详尽分析异步机的五种状态，使我们认识到：同步发电机不对称短路时的负序情形，相当于异步机时的制动状态。此时，有两倍的电磁功率被注入同步发电机的转子绕组，时间稍长，就会烧毁同步发电机的转子绕组。事实上，（异步机堵转状态）时，危险性就已经很高了。此时，异步机转子绕组经气隙，从定子绕组汲取电磁功率，全部用于转子铜 耗。这一点，用代人式得，即知。更何况，此时转子铜耗 是时的两倍：转子绕组从定子绕组汲取一倍的，又从转子本体汲取一倍的尸？（此时有：），总共是两倍的 电磁功率，即，全部用于转子铜耗。可以说，是最危险的 了。正常情况下，异步机都是运行于转差 率等于零点零几，即的电动，或者发电状态下。也就是说，身时，就不能长期运行，只能短时运行，否则，电机的转子绕组就可能被烧毁。可见，是多么危险。结语本文从能量（功率）的角度，详尽分析了异步机全部五种状态的特征。其中，特别值得强调的是：异步机处于制动状态时，从定子和转子两个方向汲取功率，用于转子绕组的铜耗。该铜耗转化为热能，导致转子过热。如果不采取限流措施，转子绕组就有被烧毁的可能。从异步机制动状态中，得到对同步发电机不对称短路的启示，那就是：负序猛于虎，千万别马虎！参考文献许实章电机学（上、下册）北京：机械工业出版社，、辜承林，等电机学武汉：华中科技大学出版社，汤蕴璆，等电机学北京：机械工业出版社，陈世元电机学北京：机械工业出版社，戈宝 军，等电机学北京：中国电力出版社，王秀和电机学北京：机械工业出版社，刘慧娟，等电机学（英汉双语）北京：机械工业出版社，李发海，等电机学北京：科学出版社，孙旭东，等电机学北京：清华大学出版社，张广溢，等电机学重庆：重庆大学出版社，潘再平电机学杭州：浙江大学出版社，阎治安，等电机学西安：西安交通大学出版社，作者简介：程小华男 年 生；毕业 于华中理工大学电力 系电机及控制专业，获博士学位，现任华南理工大学电 力学 院教授，主要从事电机教学和电机基本理论研究收稿日期：，“欢迎订阅欢迎投稿欢迎刊登广告垂询电话：