5357

Синхронные машины. Конспект лекций

Конспект

Производство и промышленные технологии

Устройство и принцип действия. Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется так же обмотко...

Русский

2012-12-07

996 KB

264 чел.

Устройство и принцип действия.

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется так же обмоткой. Сердечник ротора вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. условно показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.

Рис 1, а.

Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от

Рис 1,б

постороннего источника. В качестве источника чаще всего служит генератор постоянного тока относительно небольшой мощности (0,3—3,0% от мощности синхронной машины), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с синхронной машиной. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине первичного магнитного поля. Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения называется также индуктором. При изготовлении синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы распределение индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было по возможности близко к синусоидальному.

Если ротор синхронной машины привести во вращение с некоторой скоростью п об/сек и возбудить его, то поток возбуждения Фf будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах последней будут индуктироваться э. д. с. с частотой

 

Э. д. с. статора составляют симметричную трехфазную систему э. д. с., и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.

При нагрузке обмотка статора создает такое же по своему характеру вращающееся магнитное поле, как и обмотка статора асинхронной машины. Это поле статора вращается в направлении вращения ротора со скоростью

 об/сек.

Если подставить сюда f1 из формулы, то получим

.

Поля статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью и образуют, таким образом, общее вращающееся поле, как и в асинхронной машине.

Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора (индуктора) и называется в связи с этим также полем реакции якоря.       

Синхронная машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Из формулы следует, что чем больше число пар полюсов синхронной машины р, тем меньше должна быть ее скорость вращения f1 для получения заданной частоты f1.

По своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные (Рис 1,а) и неявнополюсные (Рис 1,б).

Магнитное поле и параметры обмотки якоря

Общие положения.

При нагрузке обмотки якоря синхронной машины током она создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря. В нормальных машинах постоянного тока, с установкой щеток на геометрической нейтрали, поле реакции якоря является поперечным, т. е. действует поперек оси главных полюсов. Поэтому оно не индуктирует э. д. с. в обмотке якоря и оказывает относительно слабое влияние на величину потока в воздушном зазоре и на характеристики машины. В отличие от машин постоянного тока в синхронной машине влияние реакции якоря на величину магнитного потока весьма значительно. Это обусловлено прежде всего тем, что в синхронной машине в общем случае возникает также значительная продольная реакция якоря усиливающая или ослабляющая поток полюсов. Кроме того, поле поперечной реакции якоря синхронной машины также индуктирует значительную э. д. с. в обмотке якоря.

Поэтому реакция якоря синхронной машины оказывает весьма значительное влияние на характеристики и поведение синхронной машины как при установившихся, так и при переходных режимах работы.

Индуктор (ротор) явнополюсной машины имеет магнитную несимметрию, так как ввиду наличие большого междуполюсного пространства магнитное сопротивление -потоку, действующему по направлению поперечной оси q, т. е. по оси междуполюсного пространства, значительно больше магнитного сопротивления потоку, действующему по продольной оси d. Поэтому одинаковая по величине н. с. якоря при ее действии по продольной оси создает больший магнитный поток, чем при действии по поперечной оси. Кроме того, как ротор явнополюсной, так и ротор неявнополюсной машины имеют также электрическую несимметрию, так как их обмотки возбуждения расположены только по продольной оси d, т. е. создают поток, действующий по оси d, и сами сцепляются только с потоком якоря, действующим по этой же оси. Электрическая несимметрия индукторов синхронных машин существенным образом проявляется при несимметричных и переходных режимах их работы.

Ввиду несимметричного устройства индуктора возникает необходимость рассматривать действие реакции якоря по продольной и поперечной осям в отдельности. Метод такого рассмотрения впервые был предложен французским электротехником А. Блонделем в 1895 г. и называется методом или теорией двух реакций.

Метод двух реакций основан на принципе наложения, при котором предполагается, что магнитные потоки, действующие по поперечной оси, не влияют на величину потоков, действующих по продольной оси, и наоборот. Ввиду наличия определенного насыщения участков магнитной цепи это предположение не вполне правильно. Однако- учет влияния насыщения очень сложен, а определенные коррективы могут быть внесены дополнительно.

Продольная и поперечная реакция якоря.

Рассмотрим действие реакции якоря многофазной синхронной машины при установившейся симметричной нагрузке. Для наглядности будем иметь в виду двухполюсную машину и предположим, что она работает в режиме генератора. Получаемые результаты нетрудно

распространить также на двигательный режим работы. Ради простоты и наглядности на рискаждая фаза обмотки изображена в виде одного витка с полным шагом {А—X, В—У, С—Z), буквами N, S указана полярность поля возбуждения, а магнитные линии этого поля не показаны.

Сначала рассмотрим случай, когда угол сдвига фаз  между током якоря и э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря током или полем возбуждения, равен нулю (рис а). Ротор вращается с электрической угловой скоростью

 

и при положении ротора, изображенном на рис а,  э. д. с. фазы А максимальна. Так как  = 0, то ток этой фазы также максимален и

 

Направления токов iа, ib,, ic, нетрудно установить по правилу правой руки, и они указаны на рис. а крестиками и точками. При этих направлениях токов магнитные линии поля реакции якоря в полюсах и теле якоря направлены поперек оси полюсов d. Следовательно, поток реакции якоря Ф„ действует по поперечной оси. Такой характер поля реакции якоря

Поперечная реакция якоря вызывает искажение кривой поля в воздушном зазоре, как и в машинах постоянного тока, но в синхронной машине действие ее не ограничивается этим, так как вращающееся поле поперечной реакции якоря индуктирует также э. д. с. в обмотке якоря. Величина этой э. д. с. определяется ниже.

Если ток I отстает от э. д. с.  на  = 90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис а на четверть периода позднее, когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке (рис. б). Токи фаз на рис. б , имеют такие же значения, как и на рис. а, вследствие чего и ориентация магнитного потока якоря в пространстве является такой же.

Если ток I опережает э. д. с.  на  = -90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис. а на четверть периода раньше и в этот момент времени ротор занимает по сравнению с рис. а положение, повернутое на 90° против направления вращения (рис. в).

Токи фаз на рис. в имеют такие же значения, как и на рис а.

Из рис. 32-9, в видно, что при опережающем токе и =-90° реакция якоря также действует по продольной оси, но является по отношению к полю возбуждения чисто намагничивающей, т. е. она увеличивает поток по продольной оси машины (продольная намагничивающая реакция якоря).

Поэтому в общем случае, ток I можно разложить на две составляющие:

Характеристики синхронных генераторов

Среди разнообразных характеристик синхронных генераторов отдельную группу составляют характеристики, которые определяют зависимость между напряжением на зажимах якоря U, током якоря I и током возбуждения if при f = fн или п = nн  = const в установившемся режиме работы. Эти характеристики дают наглядное представление о ряде основных свойств синхронных генераторов.

Они могут быть построены по расчетным данным, с помощью векторных диаграмм, или по данным соответствующих опытов.

Характеристики явнополюсных и неявнополюсных генераторов в основном одинаковы.

Схемы для снятия рассматриваемых ниже характеристик опытным путем изображены на рис. На рис. а обмотка якоря Я нагружается с помощью симметричных регулируемых нагрузочных сопротивлений Zнг.

(например, трехфазный реостат и трехфазная индуктивная катушка, включаемые параллельно).

На рис. б генератор нагружается на сеть Uc через индукционный регулятор напряжения или регулируемый трехфазный трансформатор, или автотрансформатор РТ. Активная мощность генератора в обоих случаях регулируется путем изменения момента двигателя, вращающего генератор. В схеме рис. 6 воздействие на РТ изменяет напряжение генератора и его реактивную мощность или cos. На практике удобно пользоваться схемой рис  б.

На рисунке предполагается, что обмотка возбуждения питается от постороннего источника. Регулирование тока if в обоих случаях производится с помощью реостата R. Величина cos   проверяется по показаниям двух ваттметров.

Все характеристики для наглядности целесообразно строить в относительных единицах.

Магнитные поля и параметры

 успокоительной обмотки

В нормальных установившихся режимах работы многофазной синхронной машины основная гармоника н. с. реакции якоря вращается синхронно с ротором, неизменна по величине и поэтому токов в успокоительной или пусковой обмотке, расположенной в полюсных наконечниках, не индуктирует.

При этих условиях относительно небольшие токи в стержнях успокоительной обмотки индуктируются только в результате действия высших гармоник н. с. обмотки якоря и зубцовых пульсации магнитного поля. Эти токи вызывают добавочные потерн, которые учитываются при определении к. п. д.

Однако при неустановившихся, несимметричных и других особых режимах работы потоки основных гармоник поля реакции якоря Фad и Фqd изменяются или пульсируют во времени и индуктируют в успокоительной обмотке значительные по величине токи.

Распределение этих токов в стержнях успокоительной или пусковой обмотки показано на рис.1 а и 2 а. 

Рис 1.

Рис 2.

Эти токи создают в воздушном зазоре магнитные поля определенной формы, которые можно разложить на основную и высшие гармоники (рис.1б и 2б). Основные гармоники поля успокоительной обмотки обусловливают явление взаимной индукции с обмоткой якоря, а высшие гармоники образуют поле дифференциального рассеяния успокоительной обмотки. Кроме того, существуют также поля пазового и лобового рассеяния успокоительной обмотки.

Ротор явнополюсной синхронной машины в магнитном отношении несимметричен. Кроме того, его успокоительная или пусковая обмотка несимметрична и в электрическом отношении, так как контуры токов, составляемые стержнями и участками торцевых замыкающих колец этой обмотки, различны для токов, индуктируемых продольным и поперечным потоками реакции якоря (рис. 1а и 2а). Поэтому количественные соотношения, характеризующие электромагнитные процессы, для осей d и q различны. Для поля воздушного зазора это проявляется в том, что кривые поля имеют различный вид (рис. 1б и 2б). Токи в отдельных стержнях на рис. 1 а также различны. Это же справедливо и для рис. 2а.

Вследствие указанной магнитной и электрической несимметрии, строго говоря, вместо единой успокоительной обмотки необходимо рассматривать каждый контур тока на рис. 1а или 2а как отдельную обмотку или отдельную цепь тока.

Для каждого такого контура по отдельности можно составить уравнение напряжения или второе уравнение Кирхгофа, причем эти уравнения будут независимы друг от друга, а сопротивления и индуктивности каждого контура различны. В уточненной теории переходных процессов и других особых режимов действие успокоительной обмотки учитывается именно так. Однако для большинства практических целей задачу можно упростить и рассматривать по каждой оси одну эквивалентную успокоительную обмотку, с эквивалентными токами Iуд, Iyq и эквивалентными параметрами. Можно считать, что такие эквивалентные обмотки представляют собой коротко-замкнутые витки с полным шагом (рис. 3).

Рис 3.

Активные сопротивления   и индуктивности Lyd, Lyq эквивалентных успокоительных обмоток по разным осям различны.

Токи и параметры успокоительных обмоток также можно привести к обмотке якоря. При этом взаимная индуктивность с обмоткой якоря для продольной оси будет равна Lad, а для поперечной оси Laq. Полные приведенные собственные индуктивности успокоительной обмотки будут:

 

  

где   приведенные индуктивности рассеяния успокоительной обмотки соответственно для продольной и поперечной осей. Очевидно,  что   

.

Вместо полной успокоительной обмотки иногда применяют также неполную успокоительную обмотку (рис. 4),

Рис 4.

которая не имеет междуполюсных соединений. Отсутствие междуполюсных соединений не влияет на величину и распределение токов,а также на величину параметров успокоительной обмотки по продольной оси. Однако действие такой обмотки по поперечной оси значительно ослабляется, так как активное сопротивление ryd и индуктивность рассеяния  увеличиваются, а ток эквивалентной обмотки , уменьшается. Поэтому неполные успокоительные обмотки            применяются редко.

Отметим, что в каждом реальном стержне успокоительной обмотки протекает ток, равный сумме продольного и поперечного токов стержня, и ввиду разных направлений этих токов суммарные токи стержней, расположенных симметрично относительно центра полюсного наконечника, различны.

Неявнополюсные синхронные машины имеют массивный ротор, обычно лишены специальной успокоительной обмотки, и роль последней играет само тело ротора. Это же справедливо для явнополюсных машин с массивными полюсами. Действие массивного ротора и массивных полюсов также можно заменить действием эквивалентных успокоительных обмоток.

Для неявнополюсной машины, имеющей цилиндрический ротор, параметры таких обмоток для обеих осей можно принять одинаковым. Строго говоря, это же справедливо и для обычных успокоительных и пусковых обмоток, так как сечение стержней этих обмоток достаточно велико.

Некоторое действие оказывают также вихревые токи, индуктируемые при изменении Фad Фaq в элементах магнитной цепи ротора явнополюсной машины, имеющей полюсы из листовой стали. Это эквивалентно наличию некоторой дополнительной успокоительной обмотки. Однако этот эффект мал и обычно не учитывается.

Следует отметить также, что приведенная взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и успокоительной больше, а рассеяние между ними меньше, чем между этими двумя обмотками и обмоткой якоря. Это обусловлено тем, что указанные две обмотки расположены на индукторе поблизости и неподвижны относительно друг друга. Ввиду последнего обстоятельства взаимная индуктивность обмоток возбуждения и успокоительной обусловлена также высшими гармониками их полей в воздушном зазоре. То же самое характерно и для двухклеточного асинхронного двигателя, в котором взаимная индуктивность между обмотками ротора также больше, чем между обмотками ротора и обмоткой статора. Однако в синхронных машинах этим обстоятельством часто пренебрегают.

Необходимо также подчеркнуть, что взаимная индукция между поперечной успокоительной обмоткой и обмоткой возбуждения отсутствует.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

Характеристика холостого хода

(х. х. х.) определяет зависимость U = f (if) при I = 0 и f = fн Очевидно, что в режиме холостого хода U = Е. Если х. х. х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах, полагая,

 ,

Рис 1.

где  - ток холостого хода при U=Uн, то эти х .х. х. будут мало отличаться друг от друга. Поэтому при расчетах различных режимов работы энергетических систем, в которых работает много генераторов, для упрощения расчетов принимается, что х. х. х. всех турбогенераторов, а также х. х. х. всех гидрогенераторов, выраженные в относительных единицах, одинаковы и соответствуют некоторым средним данным реальных характеристик генераторов (рис. 1).

Такие х. х. х. называются нормальными. Нормальные ненасыщенные х. х. х. показаны на рис. штриховыми линиями.

Характеристика короткого замыкания

(х. к. з.) снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки якоря накоротко (симметричное короткое замыкание) и определяет зависимость I = f (if) при U = 0 и f =fн.

Если пренебречь весьма незначительным активным сопротивлением якоря, то сопротивление цепи якоря в режиме короткого замыкания будет чисто индуктивным. Поэтому  = 90°, Iq = 0, Id = 1 и

 

Уравнению соответствует схема замещения рис. 1, а и векторная диаграмма рис. 1, б.

Рис 1.

При коротком замыкании реакция якоря является чисто размагничивающей, э. д. с. Е, от результирующего потока воздушного зазора, равная

 

Опытное определение

 Опытные х. х. х. и х. к. з. (рис.1) позволяют определить опытное значение продольного синхронного сопротивления xd. 

Обычно находят ненасыщенное значение этого сопротивления , которое в отличие от насыщенного значения xd для каждой машины вполне определенное. Чтобы определить , для какого-либо значения тока возбуждения, например if = ОА (рис. 1), по спрямленной ненасыщенной х. х. х. 3 находят  и по х. к. з. 2 — ток I, после чего вычисляют

 

Если   и I выражены в относительных единицах, то и  получается в этих же единицах.  

 

будет определять насыщенное значение хд при таком насыщении магнитной цепи, которое соответствует данному значению Е. Кривая 4 (рис.) представляет собой насыщенные значения xd = f(if).

Отношение короткого замыкания (о. к. з.).

Отношением короткого замыкания kо.к.з. согласно ГОСТ 183—66, называется отношение установившегося тока короткого замыкания Ik0 при токе возбуждения, который при холостом ходе и п = nн дает Е =Uн, к номинальному току якоря Iн

Рис 1.

 

В соответствии с рис. 1

 

где xd насыщенное значение продольного синхронного сопротивления

 

 Величина о. к. з., как и величина хd, определяет предельную величину нагрузки, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы, причем, чем больше о. к. з., тем больше предельная нагрузка.

Поэтому о. к. з. является важным параметром синхронных машин.

В соответствии с изложенным величина о. к. з. тем больше, чем больше величина зазора  между статором и ротором. Поэтому машины с большим о. к. з. дороже.

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика определяет зависимость U = f (/) при if = const. cos = const, f = /„ и показывает, как изменяется напряжение машины U при изменении величины нагрузки и неизменном токе возбуждения. Внешняя характеристика снимается следующим образом: при if = const посредством изменения момента или мощности приводного двигателя изменяют ступенями активную мощность генератора Р и при каждом значении Р с помощью регулируемого трансформатора РТ изменяют U на зажимах генератора так, что достигается необходимое значение cos.

Вид внешних характеристик при разных характерах нагрузки показан на рис. 1, причем предполагается, что в каждом случае величина тока возбуждения отрегулирована так, что при I=Iн„ также U = Uн. Отметим, что величина If при номинальной нагрузке называется номинальным током возбуждения. {Вид внешних характеристик синхронного генератора объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис. 1) существует значительная продольная размагничивающая реакция якоря), которая растет с увеличением тока нагрузки I, и поэтому U с увеличением I уменьшается. При чисто активной нагрузке (кривая 2 на рис. 1) также имеется продольная размагничивающая реакция якоря, но угол   между Е и I меньше, чем в предыдущем случае, поэтому продольная размагничивающая реакция якоря слабее и уменьшение U с увеличением I происходит медленнее.

При опережающем токе (кривая 3 на рис. 1) возникает продольная

Рис 1.а

намагничивающая реакция якоря и поэтому с увеличением I напряжение U растет. Следует отметить, что значения if для трех характеристик  различны и наибольшее if соответствует характеристике 1.

Номинальное изменение напряжения синхронного генератора

— это изменение напряжения на зажимах генератора (при его работе отдельно от других генераторов) при изменении нагрузки от номинального значения до нуля и при неизменном токе возбуждения.

Синхронные генераторы обычно рассчитываются для работы с номинальной нагрузкой при отстающем токе и cos  = 0,8. Согласно кривой 1 на рис. 1,а при этом > 0. Величина  действующими ГОСТ не регламентируется. Обычно

 

Величина у турбогенераторов больше, чем у гидрогенераторов, так как у первых xd больше.

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика определяет зависимость if =f (I) при U = const, cos  = const и / = const и показывает, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизменным. Эта характеристика снимается следующим образом: изменяется ступенями активная мощность Р и при каждом значении Р величина if регулируется так, что достигается cos  = const. Ввиду изменения внутреннего падения напряжения в РТ одновременно с регулировкой if приходится также несколько регулировать напряжение РТ, чтобы поддержать U=const. Вид регулировочных характеристик показан на рис. 1,

Рис 1.

причем предполагается, что для всех изображенных там характеристик величина U одинакова.

Вид регулировочных характеристик также объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис.1) продольная реакция якоря является размагничивающей и для компенсации ее влияния на величины Ф и U с увеличением I необходимо значительно увеличивать ток возбуждения if. При чисто активной нагрузке (кривая 2) размагничивающая продольная реакция якоря слабее и требуется меньшее увеличение if. При опережающем токе (кривая 3) продольная реакция якоря стремится увеличивать Ф и U, вследствие чего для сохранения U = const необходимо с увеличением / уменьшать if. 

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика   определяет зависимость U = f(if) при I = const, cos  = const и I = const и показывает, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока возбуждения if при условии постоянства тока нагрузки I и cos .

Рис 1.

Из числа разнообразных нагрузочных характеристик наибольший практический интерес представляет так называемая индукционная нагрузочная характеристика (рис. 1, кривая 2), которая соответствует чисто индуктивной нагрузке генератора, когда cos = 0 (инд.).

Обычно она снимается для I=Iн. По схеме индукционную нагрузочную характеристику можно снимать так: с помощью РТ ступенями изменяют U на зажимах генератора и одновременно регулируют if так, что достигается I=const. Вместе с тем при необходимости несколько регулируют величину момента приводного двигателя так, чтобы cos = 0.

Векторная диаграмма синхронного генератора при cos  = О (инд.) изображена на рис,

Рис.

причем принято, что ra= 0. Из этой диаграммы видно, что в режиме индукционной характеристики существует чисто продольная размагничивающая реакция якоря

Так как  = 90°, то в режиме индукционной характеристики и. с. возбуждения и якоря складываются алгебраически, a Uн и арифметически (рис.).

Общая характеристика переходных процессов синхронных машин

При резких изменениях режима работы синхронной машины (наброс и сброс нагрузки, замыкание и размыкание электрических цепей обмоток, короткие замыкания в этих цепях и т. д.) возникают разнообразные переходные процессы. В современных энергетических системах работает совместно большое количество синхронных машин, причем мощности отдельных машин достигают 1,5 млн. кет.

Переходные процессы, возникающие в одной машине, могут оказать большое влияние на работу других машин и всей энергосистемы в целом, поскольку в этих машинах также возникают различные переходные процессы. Интенсивные переходные процессы нарушают работу энергосистемы в целом и могут вызвать серьезные аварии. Подобные аварии связаны с большими убытками, так как при них возможны повреждения дорогостоящего оборудования. Однако наибольшие убытки получаются в результате нарушения энергоснабжения крупных промышленных районов, когда недовырабатывается промышленная продукция.

По указанным причинам изучение переходных процессов синхронных машин имеет весьма большое практическое значение, так как позволяет правильно понимать эти процессы, предвидеть характер возможных аварий, принимать меры к предотвращению или ограничению действия аварий и быстрейшему устранению их последствий.

Следует отметить, что переходные процессы синхронных машин протекают весьма быстро, в течение нескольких секунд и даже долей секунды. Поэтому целенаправленные и согласованные действия эксплуатационного персонала энергетических систем в начальный и вместе с тем решающий период возникновения аварии невозможны. В связи с этим необходимо применять многочисленные и разнообразные средства автоматического управления и регулирования, чтобы воздействовать на возникшие переходные процессы в нужных направлениях. Для разработки таких средств, их изготовления, наладки и эксплуатации также необходимо изучение переходных процессов синхронной машины

Переходные процессы любого характера описываются дифференциальными уравнениями. Синхронные машины, как указывалось выше, имеют магнитную и электрическую несимметрию. Кроме того, обмотки якоря и индуктора связаны индуктивно и перемещаются относительно друг друга, а скорость вращения ротора в переходных режимах в общем случае непостоянна. В связи с этим дифференциальные уравнения синхронной машины имеют сложный вид. Кроме того, при совместной работе синхронных машин в энергетической системе необходимо учитывать их взаимное влияние друг на друга и ряд других факторов. По этим причинам строгая математическая теория переходных процессов синхронных машин весьма сложна и не укладывается в рамки данной книги..

Наиболее часто интенсивные переходные процессы в энергетических системах и синхронных машинах вызываются короткими замыканиями в электрических сетях и линиях электропередачи. Такие замыкания возникают по разным причинам (повреждение и пробой изоляции, атмосферные перенапряжения, замыкание проводов птицами, падение опор линий передачи, обрыв проводов и т. д.).

Короткие замыкания, которые возникают при нахождении сетей, линий передач и электрических машин под напряжением и развиваются весьма быстро, называются внезапными. Появляющиеся при этом переходные процессы во многих случаях весьма опасны. Кроме того, явления, возникающие при внезапных коротких замыканиях, во многих отношениях характерны и для других видов переходных процессов.

Все особенности процесса внезапного короткого замыкания можно установить при рассмотрении синхронного генератора, работающего на отдельную сеть.

Гашение магнитного поля и переходные процессы в цепях индуктора

Способы гашения поля.

При внутренних коротких замыканиях в обмотке якоря синхронного генератора или на его выводах, до выключателя (рис 1), автоматическая релейная защита с помощью выключателя отключает генератор от сети. Но короткое замыкание внутри генератора этим не устраняется, ток возбуждения if продолжает индуктировать э. д. с. в обмотке якоря, и в ней продолжают течь большие токи короткого замыкания, которые вызывают сначала расплавление меди обмотки якоря в месте короткого замыкания, а затем также расплавление стали сердечника якоря. Поэтому во избежание больших повреждений генератора необходимо быстро довести ток возбуждения и поток генератора до нуля. Такая операция называется гашением магнитного поля.

Гашение поля возможно путем разрыва цепи возбуждения генератора с помощью, например, контактов 8 (рис. 1, а). Однако это недопустимо, так как при этом, во-первых, вследствие чрезвычайно быстрого уменьшения магнитного потока в обмотках генератора индуктируются весьма большие э. д. с., способные вызвать пробой изоляции. В особенности это относится к самой обмотке возбуждения и к ее контактным кольцам, так как номинальное напряжение цепи возбуждения относительно мало (50—1000 е). Во-вторых, магнитное

Рис 1,а

поле генератора содержит значительную энергию, которая при разрыве цепи возбуждения гасится в дуге выключателя между контактами 8 Рис 1,а, в результате чего этот выключатель может быстро прийти в негодность.

Разрыв цепи возбуждения возбудителя также недопустим в отношении возникающих при этом перенапряжений в обмотке возбуждения возбудителя. Кроме того, он не дает желательных результатов, так как обмотка возбуждения генератора 2 оказывается замкнутой через якорь возбудителя 6 и ввиду большой индуктивности и небольшого активного сопротивления этой цепи ток if будет затухать медленно, с постоянной времени 2—10 сек. При этих условиях размеры повреждения генератора при внутренних коротких замыканиях оказываются большими.

В связи с изложенным проблему гашения поля приходится решать компромиссным образом — путем уменьшения тока if с такой скоростью, чтобы возникающие перенапряжения были в допустимых пределах, а внутренние повреждения генератора были минимальны. Для этой цели разработаны соответствующие схемы и аппараты гашения поля.

Одна из широко применяемых схем гашения поля изображена на рис. 1, а. В этой схеме при нормальной работе контакты 8 замкнуты, а контакты 9 разомкнуты. При коротком замыкании внутри генератора релейная защита подает команду на замыкание контактов 9 и отключение контактов 8. Цепь обмотки 2 остается замкнутой через сопротивление 7 гашения поля rг, величина которого обычно в 3—5 раз больше сопротивления rf самой обмотки 2. При этом ток if затухает с определенной скоростью, которая тем больше, чем больше rг. Контакты 8 и в данном случае работают в довольно тяжелых условиях, так как на них возникает сильная дуга.

Ввиду большой индуктивности цепи ток if в начальный момент гашения поля не изменяется, и поэтому напряжение на зажимах обмотки возбуждения в этот момент времени при схеме рис. 34-1, а

 

больше его значения до гашения поля

 

в

 

 раз. Отсюда следует, что большие значения kг недопустимы.

Применяет также схему рис. 1, б, в которой сопротивление гашения поля отсутствует, а дуга в результате действия электродинамических сил выдувается с контактов 11 на решетку 12 и гасится в ней.

Рис 1,б

Рассмотрим физические закономерности при гашении поля по схеме рис. 1, а, предполагая, что внутренних коротких замыканий в обмотке якоря нет. Это позволит установить также некоторые общие закономерности переходных процессов в синхронной машине.

Разнообразные переходные процессы в синхронной машине обычно происходят в условиях, когда ее обмотка возбуждения замкнута через якорь возбудителя, сопротивление и индуктивность которого малы по сравнению с сопротивлением и индуктивностью обмотки возбуждения синхронной машины. Поэтому ниже будем предполагать, что обмотка возбуждения при гашении поля замкнута накоротко. Соотношения, получаемые при таком предположении, будут пригодны также при рассмотрении других переходных процессов синхронной машины. Если в действительности в цепи возбуждения имеются добавочные сопротивления, например сопротивление гашения поля, то это нетрудно учесть путем соответствующего увеличения сопротивления обмотки возбуждения. Будем также считать, что насыщение магнитной цепи и величины индуктивностей постоянны.

Машина без успокоительной обмотки при разомкнутой обмотке якоря.

В этом случае существует только один замкнутый контур тока (рис.1 а). Ток if при гашении поля является свободным током, существование которого не поддерживается внешними источниками э. д. с, и напряжения. Поэтому if затухает по закону, определяемому дифференциальным уравнением

 

где

 полная индуктивность обмотки возбуждения

Рис 1,а

 

величина Тdо представляет собой постоянную времени обмотки возбуждения при отсутствии в ее цепи дополнительных сопротивлений, при разомкнутой обмотке якоря и отсутствии успокоительной обмотки.

Кривые изменения if изображены на рис. 2 а

Рис 2

Уравнение мощностей:

 

Первый член этого уравнения представляет собой мощность потерь в обмотке, а второй – равновеликую мощность, которая выделяется в этой обмотке за счет уменьшения энергии магнитного поля и покрывает мощность потерь.

Машина с успокоительной обмоткой при 

разомкнутой обмотке якоря

В этом случае по продольной оси имеются две индуктивно связанные цепи

которым соответствует схема замещения

При изменении тока if при гашении поля в успокоительной обмотке индуктируется ток iyd изменение которого в свою очередь влияет ток if

Закономерности изменения токов определяется дифференциальными уравнениями:

 

 

где

 

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

Включение синхронных генераторов на параллельную работу

На каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть, кроме того, работает целый ряд электростанций, и поэтому параллельно на общую сеть работает большое число синхронных генераторов. Благодаря этому достигается большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера и другие выгоды.

Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться строго в такт или, как говорят, синхронно, т. е. их скорости вращения п1 n2 n3  должны быть в точности обратно пропорциональны числам пар полюсов:

 

В частности, скорости вращения генераторов с одинаковыми числами полюсов должны быть в точности одинаковыми.

Условия синхронизации генераторов.

При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.

Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на холостом ходу перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора.

Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих требований:

1) напряжение включаемого генератора Ur должно быть равно напряжению сети Uc. или уже работающего генератора;

2) частота генератора fг должна равняться частоте сети fс,

3) чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

4) напряжения Uг и Uc должны быть в фазе.

При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью

разности напряжений между контактами выключателя при включении генератора равны:

 

и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора.

Правильность чередования фаз необходимо проверять только при первом включении генератора после монтажа или  сборки схемы. Совпадение напряжений по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтметров или специальных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах — с помощью специальных измерительных элементов.

Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию.  Действительно, если, например, напряжения Uг и Uc. будут в момент включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении. Если  генератор включается в сеть мощной энергетической системы, то сопротивление этой .сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превысить ток при обычном коротком замыкании в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза.

Зарегистрировано немало случаев, когда неправильная синхронизация вызывала серьезные повреждения оборудования (повреждение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полюсов, поломка вала, разрушение всего генератора).

Синхронизация с помощью лампового синхроноскопа 

Этот способ может осуществляться по схеме на погасание или на вращение света.

Схема синхронизации на погасание света представлена на рис

где слева изображен генератор Г1, уже работающий на шины станции и сеть, а справа — включаемый на параллельную работу генератор Г2 с вольтметром V, вольтметровым переключателем П и с ламповым синхроноскопом С, каждая из ламп 1, 2, 3 которого включена между контактами одной и той же фазы или полюса выключателя В2. При соблюдении приведенных выше условий и равенства напряжения на всех лампах одновременно равны нулю и лампы не светятся, что и указывает на возможность включения генератора Г2 с помощью выключателя В2 на параллельную работу.

Достичь точного равенства частот  в течение даже небольшого промежутка времени практически невозможно (рис.а),

и поэтому напряжения Uг. — Uc на лампах 1, 2, 3  пульсируют с частотой  (рис.), и если эта частота мала, то лампы загораются и погасают с такой же частотой. Частота  соответствует частоте пульсации напряжения (штриховые кривые на рис.б). Путем регулирования частоты генератора необходимо добиться того, чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальна (период 3—5 сек), и произвести затем включение выключателя В2 в момент времени, когда лампы не горят.

При малой частоте лампы погасают раньше, чем напряжение достигнет нуля, и загораются также при U > 0. Поэтому при схеме рис. а трудно выбрать правильный момент включения. В этом отношении лучшей является схема рис. б, в которой лампа 1 включена так же, как на схеме рис. а, а лампы 2 и 3 — между различными фазами генератора и сети. Поэтому в данном случае при соблюдении перечисленных выше условий и равенства лампа 1 не светится, а лампы 2 и 3 находятся под линейным напряжением и светятся с одинаковой яркостью, что и является критерием правильности момента включения.

При  лампы 1, 2 и 3  загораются и погасают поочередно, и создается впечатление вращающегося света, причем при . вращение происходит в одну сторону, а при . — в другую. Частота вращения света равна/,. — /„ и необходимо добиться, чтобы она была минимальна (период 3—5 сек).

Отметим, что если при осуществлении схемы рис. а вместо одновременного погасания и загорания всех трех ламп получится вращение света, а при схеме рис. б — одновременное погасание и загорание ламп, то это будет указывать на неправильность чередования фаз генератора и сети. При этом необходимо поменять местами начала двух фаз обмотки статора генератора.

Для более точного выбора момента включения параллельно одной из ламп рис. а включают вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля (нулевой вольтметр).

Другие методы синхронизации.

Синхронизация с помощью ламп и нулевого вольтметра применяется только для генераторов малой мощности. Для мощных генераторов пользуются электромагнитным синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного поля, и при  его стрелка вращается с частотой  в ту или иную сторону в зависимости от того, какая частота больше. При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обращена вертикально вверх.

При высоком напряжении приборы синхронизации включаются через трансформаторы напряжения. При этом необходимо позаботиться о том, чтобы фазировка (чередование фаз) этих трансформаторов была правильной.

Синхронизация генераторов является весьма ответственной операцией и требует от эксплуатационного персонала большого внимания. В особенности это важно в случае различных аварий, когда персонал работает в напряженной обстановке. В то же время именно при авариях необходима максимальная оперативность в производстве различных переключении и в синхронизации резервных или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт показывает, что наибольшее количество ошибочных действии персонала падает как раз на период аварий.

Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими синхронизаторами, которые осуществляют автоматическое регулирование Ur и fг синхронизируемых генераторов в нужных направлениях и при достижении необходимых условий автоматически включают генераторы на параллельную работу. Однако подобные автоматические синхронизаторы также обладают недостатками (сложность, необходимость непрерывного и квалифицированного обслуживания и т. д.).

К тому же во время аварий напряжение и частота в системе нередко беспрерывно и быстро меняются и поэтому процесс синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов сильно затягивается (до 5—10 мин и даже более), что с точки зрения ликвидации аварии крайне нежелательно. Внедрен метод грубой синхронизации, или самосинхронизации.

Сущность метода  самосинхронизации заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (Uг = 0) при скорости вращения, близкой к синхронной (допускается отклонение до 2%). При этом отпадает необходимость в точном выравнивании частот, величины и фазы напряжений, благодаря чему процесс синхронизации предельно упрощается и возможность ошибочных действий исключается. После включения невозбужденного генератора в сеть немедленно включается ток возбуждения н генератор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синхронной и становится )-

При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного толчка тока, так как включение невозбужденного генератора в сеть с напряжением Uс эквивалентно внезапному короткому замыканию этого генератора при работе на холостом ходу с Е=Uс. Однако толчок тока при самосинхронизации будет все же меньше, так как, кроме сопротивления генератора, в цепи будут действовать также сопротивления элементов сети (повышающие трансформаторы, линия и т. д.). Кроме того, включение генератора производится при включенном сопротивлении гашения поля, что также снижает величину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных токов.

По действующим правилам метод самосинхронизации можно применять в случаях, когда толчок тока не будет превышать 3,5 гц. В большинстве случаев это условие выполняется. На рис.

представлены кривые, относящиеся к включению в сеть методом самосинхронизации турбогенератора мощностью 100 Mem.

Синхронные режимы параллельной работы

 синхронных машин

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при  синхронной скорости вращения называется синхронным.

Рассмотрим особенности этого режима подробнее, причем предположим для простоты, что сеть,  к которой приключена рассматриваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. в ней U = const и f -= const. Практически это означает, что суммарная мощность всех приключенных к этой сети синхронных генераторов настолько велика по сравнению с мощностью приключаемой машины, что изменение режима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети.

Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети на зажимах генератора. Для простоты предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявнополюсной и сопротивление якоря ra = 0. Тогда, согласно диаграмме, ток якоря машины определяется простой зависимостью

 

Изменение реактивной мощности.

Режим синхронного компенсатора.

Предположим, что при включении на параллельную работу условия синхронизации возбужденного генератора были соблюдены в точности, т. е.  тогда, I = 0, т. е. машина не примет на себя никакой нагрузки.

Предположим теперь, что ток возбуждения после синхронизации был увеличен и поэтому . Тогда (рис а) возникает ток I отстающий от &.0, а также от Ё и 0 на 90°. Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что  (рис. б), то ток I также будет отставать от  на 90°, но будет опережать Е и 0 на 90°, т. е. машина будет отдавать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощность.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины вызовет в ней только реактивные токи или изменение реактивного тока и реактивной мощности. При   синхронная машина называется перевозбужденной, а при н е д о в о з б у ж д е н н о и. При равенстве активной мощности нулю перевозбужденная синхронная

машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная — индуктивности.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным компенсатором. Такие компенсаторы применяются для повышения коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сетях.

Если, например, такой компенсатор установить в районе большой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий реактивной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических станций будут полностью или частично разгружены от этой мощности, коэффициент мощности генераторов и сети повысится, потери мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и двигателя.

Изменение тока возбуждения не вызывает появления активной нагрузки или ее изменения. Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить движущий механический вращающий момент на ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.

Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора, а следовательно, и вектор э. д. с. генератора  забегут вперед на некоторый угол  (рис. б). При этом возникнет ток I, отстающий, как и ранее, от на 90o Но, как следует из рис. в, в данном случае

 

 и

 

т. е. машина отдает в сеть активную мощность.

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э.д.с.  отстанет от  на некоторый угол , ток будет отставать от  на угол ,при этом мощность машины

т.е. машина будет работать в режиме двигателя.

Как следует из рис. в и г, у генератора вектор  отстает от вектора , а у двигателя — наоборот. Угол нагрузки  в первом случае будем считать положительным, а во втором — отрицательным.

Характер магнитного поля в зазоре между статором и ротором в режимах генератора и двигателя изображен на рис. 2. У генератора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверхности статора на угол  вперед, по направлению вращения (>0), а у двигателя—против направления вращения (<0). Угол  можно назвать внутренним углом

Рис 2.

нагрузки. Образование электромагнитного вращающего момента М и направление его действия согласно рис. 35-6 можно объяснить также тяжением магнитных линий.

Преобразование энергии в синхронных машинах нормальной конструкции, с вращающимся индуктором и возбудителем на общем валу, иллюстрируется энергетическими диаграммами рис. 3,

Рис 3.

 

где рмх — механические потери, рв — потери на возбуждение синхронной машины, включая потери в возбудителе, рд — добавочные потери от высших гармоник поля в стали статора и ротора, рмг — основные магнитные потери и рэл — электрические потери в обмотке якоря. Для генератора Р1 — потребляемая с вала механическая мощность и Р2 — отдаваемая в сеть электрическая мощность, а для двигателя Р1 — потребляемая из сети электрическая мощность и Р2 — развиваемая на валу механическая мощность. Электромагнитная мощность Рэм передается с помощью магнитного поля с ротора на статор в режиме генератора и в обратном направлении — в режиме двигателя. Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механические потери возбудителя включаются в потери рмх

Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тормозящего механического момента на валу синхронная машина обладает свойствами саморегулирования и способностью до известных пределов сохранять синхронизм с сетью, т. е. синхронное   вращение с другими синхронными машинами, приключенными к этой сети. Например, при приложении к валу положительного вращающего   момента Мст„ ротор будет ускоряться и угол нагрузки будет расти от нуля (рис. б). Вместе с тем машина начинает нагружаться активной мощностью Р и развивать тормозящий электромагнитный момент М. При этом величины , Р и М будут расти до тех пор, пока не наступит равновесие моментов Mст = М на валу. Одновременно с этим восстановится также баланс между потребляемой с вала механической мощностью, отдаваемой в сеть электрической мощностью и потерями в машине. В случае приложения к валу тормозящего момента Мст угол  будет расти по абсолютной величине также до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов на валу и баланс мощностей.

Все изложенное выше действительно также для явнополюсной машины с той лишь разницей,

Параллельная работа синхронных генераторов на сеть ограниченной мощности.

В ряде случаев мощность отдельного генератора составляет значительную часть мощности всех генераторов системы. В других случаях станция с несколькими генераторами соединена с мощной системой через длинную линию передачи. Хотя в этих условиях установленные выше общие положения также сохраняются в силе, однако при этом изменение режима работы одного генератора оказывает все же заметное влияние на режим работы других генераторов.

Для выяснения особенностей параллельной работы в этих условиях допустим, что параллельно на общую сеть работают два генератора одинаковой мощности, снабжая электроэнергией группу потребителей Если, например, увеличить одновременно токи возбуждения if1,  if2 этих генераторов, то напряжение U обоих генераторов и всей сети возрастет. При увеличении U в общем случае возрастет также реактивная мощность потребителей, например асинхронных двигателей. При  эта мощность распределится поровну между обоими генераторами.

Если увеличить только то U также возрастет, но в меньшей степени. В то же время реактивная мощность генератора Г1 увеличится, а генератора Г2 — уменьшится. При увеличении  if1 для сохранения U-= const ток  if2 другого генератора нужно уменьшить. При этом реактивная мощность генератора Г1 возрастет, а генератора Г2 — уменьшится.

Таким образом, в системе ограниченной мощности для повышения напряжения сети необходимо увеличивать токи возбуждения всех генераторов, а для перераспределения общей реактивной мощности между отдельными генераторами при U = const нужно токи возбуждения одних генераторов увеличивать, а других — уменьшать.

Если увеличить вращающие моменты или мощности первичных двигателей всех генераторов в системе ограниченной мощности, то скорость вращения этих двигателей и частота сети будут возрастать. При этом повысится также мощность потребителей, например, в результате повышения скорости вращения асинхронных двигателей. Повышение частоты будет происходить до тех пор, пока не наступит баланс мощностей между первичными двигателями и потребителями с учетом потерь в генераторах и сети. Для сохранения I = const при увеличении мощности первичного двигателя одного генератора мощность первичного двигателя второго нужно уменьшить. При этом происходит перераспределение активных мощностей.

При недостатке генерируемой активной мощности в системе частота f будет падать, что нарушит нормальное энергоснабжение потребителей. При недостатке генерируемой реактивной мощности в системе (невозможность поддерживать на необходимом уровне реактивную мощность генераторов электростанций и синхронных компенсаторов во избежании перегрузок их током) напряжение системы будет падать, при определенных условиях даже катастрофически. Поэтому сохранение баланса реактивных мощностей в системе не менее важно, чем сохранение баланса активных мощностей.

   

Работа синхронной машины при постоянной мощности и переменном возбуждении

Изменение тока возбуждения вызывает изменение только реактивных составляющих тока и мощности якоря. Рассмотрим теперь зависимость величины тока I от тока возбуждения if при Р = const в случае параллельной работы машины с сетью бесконечной мощности (U = const, I = const). Для простоты определим эту зависимость для неявнополюсной машины,

так как получаемые при этом результаты характерны также для явнополюсной машины, причем будем рассматривать приведенные к обмотке якоря значения тока возбуждения.

При Р = const активная составляющая тока Ia = const. Поэтому на векторной диаграмме рис. конец вектора I скользит по прямой АВ. Если положить для простоты, то внутренняя э. д. с. Е = U = const и составляющая тока возбуждения i'f, создающая результирующий поток Ф, также постоянна. Полный ток возбуждения

 

легко определяется по диаграмме. Конец вектора i'f находится в точке О', а его начало, очевидно, также скользит по прямой АВ. На рис. сплошными линиями построена диаграмма токов для одного значения i'f, а штриховыми линиями — несколько диаграмм для других значений i'f. Концы векторов I и начала векторов i'f располагаются в точках /, 2, 3, 4 на прямой АВ.

Из рис. следует, что при непрерывном изменении  ток I и cos  также беспрерывно изменяются, причем при некотором значении i'f величина I минимальна и cos  = 1, а при увеличении  i'f  (режим перевозбуждения) и уменьшении  i'f (режим недовозбуждеиия) против указанного значения i'f величина тока I возрастает, так как растет его реактивная составляющая. Более точно зависимость I=f(i'f) можно определить путем построения точных векторных диаграмм.

 На рис. представлен характер зависимостей I =- f (if) при разных значениях Р = const.

Эти зависимости по виду называются также U-образными характеристиками. Минимальное значение / для каждой кривой определяет активную составляющую тока якоря Ia и величину мощности

 

для которой построена данная кривая. Нижняя кривая соответствует Р = 0, причем if0 — значение тока возбуждения при Е = U. Правые части кривых соответствуют перевозбужденной машине и отдаче в сеть индуктивного тока и реактивной мощности, а левые части — недовозбужденной машине, отдаче в сеть емкостного тока и потреблению реактивной мощности. Кривая  = 0 или cos  = 1 отклоняется при увеличении мощности вправо, так как вследствие падения напряжения возрастает значение е, и необходимый ток возбуждения при cos  = 1. Кривая ОС на рис. в сущности является регулировочной характеристикой машины при cos  = 1

Точка А на рис. соответствует холостому ходу невозбужденной машины. При этом из сети потребляется намагничивающий ток

 

Угол нагрузки  возрастает при движении вдоль кривых рис. справа налево, так как, при меньших if и Е угол  при Р = const увеличивается. Линия АВ представляет собой границу устойчивости, на которой = кр. При дальнейшем уменьшении if машина выпадает из синхронизма. U-образные характеристики генератора и двигателя практически не отличаются друг от друга.

Асинхронный режим невозбужденной синхронной машины

В практике эксплуатации синхронных машин бывают случаи, когда отдельные машины выпадают из синхронизма и их роторы начинают вращаться относительно поля якоря (статора) асинхронно, с некоторым скольжением s. Это случается вследствие перегрузки машин, значительного падения напряжения в сети и потери возбуждения в результате каких-либо неисправностей в системе возбуждения или ошибочного срабатывания автомата гашения поля. Хотя невозбужденная явно-полюсная машина может развивать в синхронном режиме определенную мощность за счет реактивного момента, обычно эта мощность является недостаточной для покрытия нагрузки, и поэтому явнополюсные машины при потере возбуждения чаще всего также выпадают из синхронизма.

При выпадении из синхронизма синхронная машина ведет себя подобно асинхронной, но ввиду различия конструкции ротора и наличия в общем случае тока возбуждения асинхронный режим синхронной машины имеет ряд особенностей.

Так как выпадение синхронных машин из синхронизма при авариях в энергосистемах происходит нередко, то выявление особенностей асинхронного режима и выяснение рациональных способов восстановления нормальных режимов работы имеют существенное практическое значение.

Широко применяется асинхронный пуск синхронных двигателей и компенсаторов, когда невозбужденная машина приключается к сети и ее скорость достигает почти синхронной скорости подобно асинхронному двигателю.

Асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины является более сложным, и его можно рассматривать как наложение асинхронного режима невозбужденной асинхронной машины и режима установившегося короткого замыкания синхронного генератора.

Рассмотрим в первую очередь установившийся асинхронный режим работы невозбужденной синхронной машины.

Схемы замещения и их параметры.

Если бы ротор синхронной машины обладал магнитной и электрической симметрией, то работа этой машины в асинхронном режиме без возбуждения ничем не отличалась бы от работы нормальной асинхронной машины. Однако в общем случае такой симметрии нет, и поэтому требуется самостоятельное рассмотрение вопроса.

Пусть обмотка статора (якоря) трехфазной синхронной машины включена в сеть. Токи якоря при этом создают вращающееся поле, перемещающееся относительно несимметричного ротора со скоростью скольжения. Для анализа явлений при несимметричном роторе разложим вращающееся относительно него поле на два пульсирующих поля, одно из которых действует по продольной (d), а другое — по поперечной (q} оси ротора. Эти поля пульсируют со сдвигом по фазе на 90°. Кроме того, как и у асинхронной машины, рабочий процесс синхронной машины в асинхронном режиме можно привести к эквивалентному процессу при неподвижном роторе. Далее можно представить себе, что у такой машины с неподвижным ротором на статоре вместо трехфазной обмотки имеется эквивалентная двухфазная обмотка, причем одна фаза этой обмотки создает магнитный поток, пульсирующий по продольной оси, а другая фаза — поток, пульсирующий по поперечной оси ротора

Рис.1

причем напряжения этих фаз U и jU сдвинуты по фазе на 90°. В подобной двухфазной системе взаимная индукция между фазами отсутствует и явления по осям d и q можно рассматривать независимо друг от друга. В результате вместо одной схемы замещения для симметричной асинхронной машины для синхронной машины получаем две схемы замещения - одну для продольной и другую для поперечной оси. 

При наличии успокоительной или пусковой обмотки (рис. 2, а и б) в схеме для продольной оси имеются две вторичные цепи, как и у двухклеточного асинхронного двигателя, а в схеме для поперечной оси –

Рис 2, а

Рис 2, б

одна вторичная цепь. При отсутствии указанных обмоток (рис. 2, в и г) количество вторичных цепей уменьшается на единицу. На схемах рис. 2 принято rа = 0 и не учитываются потери в стали статора. При наличии в цепи возбуждения добавочного сопротивления (например, сопротивления гашения поля) его величина должна включаться в rf

В основе рассмотрения явлений согласно рис. 1 и 2 лежит представление о двухфазной машине. Поэтому сопротивления схем рис. 2 также следовало бы считать эквивалентными сопротивлениями двухфазной машины. Однако, чтобы избежать введения в рассмотрение

Рис 2,в

Рис 2,г

новых параметров, будем предполагать, что сопротивления, фигурирующие в схемах рис. 2, представляют собой параметры m-фазной машины.

Асинхронные режимы различных видов синхронных машин.

При потере возбуждения синхронные генераторы переходят в асинхронный режим и их скорость вращения будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равенство между движущим моментом на валу и электромагнитным моментом машины. При этом машина будет потреблять из сети намагничивающий ток

 

и отдавать в сеть активную мощность.

При малых скольжениях поверхностный эффект в теле ротора турбогенератора проявляется слабо и поэтому глубина проникновения токов велика. В результате активное сопротивление тела ротора мало и момент достигает весьма большой величины уже при малых скольжениях.  

Поэтому турбогенераторы способны развивать в асинхронном режиме большую мощность, причем потери в роторе малы и не представляют опасности в отношении нагрева ротора. Допустимую мощность турбогенератора в асинхронном режиме ограничивает ток статора, величина которого из-за большого намагничивающего тока достигает номинального значения. В большинстве случаев при I = Iн  в турбогенераторах   Р = (0,5 - 0,7) Pн,.

Ввиду относительно благоприятных характеристик Ma = f (s) на электростанциях разрешается кратковременная работа (до 30 мин) турбогенераторов в асинхронном режиме при условии, что потери в роторе и статоре не превышают потерь при номинальном режиме и потребление реактивной мощности с точки зрения режима работы энергосистемы допустимо. В течение указанного времени можно устранить неисправности в системе возбуждения, перевести турбогенератор на резервное возбуждение или перевести нагрузку на другие турбогенераторы или станции. Использование возможности работы турбогенераторов в асинхронном режиме позволяет увеличить надежность энергоснабжения потребителей.

Асинхронные характеристики гидрогенераторов значительно менее благоприятны. Гидрогенераторы имеют шихтованные полюсы, и успокоительные обмотки во многих случаях у них отсутствуют. При отсутствии успокоительной обмотки мощность в асинхронном режиме развивается только за счет токов, индуктируемых в обмотке возбуждения. Активное сопротивление успокоительной обмотки велико, и в этом случае момент Ma при малых s также мал. Поэтому гидрогенераторы не могут развивать значительной мощности в асинхронном режиме, успокоительная обмотка быстро нагревается, и если восстановление возбуждения в течение 10—15 сек невозможно, то их нужно отключать от сети.

Все синхронные двигатели имеют пусковые обмотки и обычно пускаются в ход как асинхронные двигатели, причем обмотка возбуждения замкнута через разрядное, или гасительное, сопротивление      rг = (5 — 10) rf или замкнута накоротко. Пуск с разомкнутой обмоткой возбуждения недопустим, так как при этом может произойти повреждение ее изоляции. Скольжение невозбужденного двигателя изменяется при пуске от s = 1 до s = 0,05, когда включается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм.

Кривые М, = f (s) синхронных двигателей представлены на рис.. Момент, развиваемый обмоткой возбуждения, достигает максимального значения при малых скольжениях, в особенности, когда rг = 0, так как rf мало, а  относительно велико. Наоборот, момент, развиваемый пусковой обмоткой, достигает максимума при s = 0,3 - 0,4, так как активное сопротивление этой обмотки значительно больше и рассеяние меньше. При расчете кривых было принято, что сопротивление обмотки якоря ra = 0. Поэтому на этих кривых не отражено возникновение провала момента при s = 0,5 вследствие одноосного эффекта. Следует, однако, отметить, что при наличии пусковой обмотки на роторе этот эффект проявляется слабо.

Начальный пусковой момент (s = 1) синхронных двигателей при U = Uн должен быть достаточно велик. С другой стороны, при малых s

момент Ма также должен быть достаточно велик, так как в противном случае при пуске под нагрузкой двигатель в асинхронном режиме не сможет достичь скорости вращения, достаточно близкой к синхронной, и двигатель после включения тока возбуждения не втянется в синхронизм.

Крутизну характеристики Ма = f (s) при малых s принято определять значением Ма при s = 0,05, и эту величину момента условно называют входным моментом Мвх. Очевидно, что чем больше Мвх, тем лучше условия втягивания в синхронизм. Обычно требуется, чтобы  Мвх = Мп Однако для увеличения  Ма необходимо увеличить активное сопротивление пусковой обмотки, а для увеличения — уменьшить его. Поэтому вопрос о выборе величин  Мвх и Мп надо решать компромиссным образом и использовать явление вытеснения тока в

пусковой обмотке для увеличения Мп. Стержни пусковой обмотки с целью увеличения их сечения и теплоемкости изготовляются из латуни.

Как видно из рис., при пуске без разрядного сопротивления Мвх получается меньше и, кроме того, при малых s может образоваться провал момента, так как максимум момента от действия обмотки возбуждения наступает при весьма малом s. Поэтому при rг = 0 втягивание в синхронизм происходит в менее благоприятных условиях.

Если синхронная машина лишена успокоительной или пусковой обмотки и имеет немассивные полюсы или ротор, то в результате сильного проявления одноосного эффекта асинхронный пуск ее возможен только на холостом ходу или при малой нагрузке на валу, причем обмотка возбуждения должна быть замкнута через значительное активное сопротивление.

Синхронные двигатели с массивными роторами или полюсами имеют благоприятную характеристику Ма = f (s), если отношение При малом большое влияние на величину тока в полюсных наконечниках начинает оказывать сопротивление торцевых зон полюсного наконечника, и асинхронный момент поэтому Мa уменьшается.

Асинхронный режим возбужденной

 синхронной машины

Асинхронный режим возбужденной синхронной машины, возникает в результате ее перегрузки или падения напряжения в сети, а также при подаче возбуждения генератору после потери возбуждения или при использовании метода самосинхронизации в двигателе при его асинхронном пуске

При вращении синхронной машины со скольжением s постоянный ток возбуждения if индуктирует в обмотке якоря э. д. с. Ек и токи /к частоты (1 — s) f1. Токи Iк накладываются на ток частоты f1 протекающий в якоре под действием напряжения сети. Так как в самой сети э. д. с. и напряжений частоты (1 — s) f1 нет, то относительно э. д.с.. Поэтому ток Iк в сущности эквивалентен току установившегося короткого замыкания синхронного генератора.

 

 

Момент Mk стремится уменьшить скорость вращения ротора и в режиме генератора облегчает, а в режиме двигателя затрудняет вхождение машины в синхронизм.

Отметим, что на холостом ходу или при небольшой нагрузке на валу явнополюсная синхронная машина, вращающаяся с небольшим скольжением, способна втянуться в синхронизм и без возбуждения, в результате действия реактивного момента, который при s  0 также пульсирует с частотой sf1.

В этом случае после включения тока возбуждения полярность полюсов может не соответствовать необходимой полярности, и тогда произойдет «проскальзывание» ротора относительно поля якоря на одно полюсное деление, причем одновременно возникнет также

кратковременный всплеск тока статора. Подобный переход не представляет для машины никакой опасности.

Самовозбуждение синхронной машины

В цепях обмотки якоря синхронных машин часто содержатся емкости (емкость между проводами длинных линий передачи и между ними и землей; емкости так называемой продольной компенсации индуктивного сопротивления линий передачи, включаемые последовательно в фазы линии передачи сверхвысокого напряжения — 500 кв и выше; батареи конденсаторов для улучшения коэффициента мощности сети и др.). В таких случаях возможно самовозбуждение синхронных машин, когда вращающаяся машина развивает напряжение и нагружается током при отсутствии тока возбуждения.

Магнитное поле в синхронной машине при этом создается емкостным током I, отдаваемым машиной в сеть, или, что то же самое, индуктивным током, потребляемым машиной из сети. При самовозбуждении ротор синхронной машины может вращаться синхронно с магнитным полем статора (синхронное самовозбуждение) или асинхронно с ним (асинхронное самовозбуждение). Для выяснения условии самовозбуждения рассмотрим работу одиночного генератора на емкость (рис.а).

Рис а.

Синхронное самовозбуждение.

При наличии остаточного магнитного потока при вращении ротора в обмотке якоря индуктируется некоторая э. д. с. Е. Эта э. д. с. при работе по схеме вызывает в цепи якоря емкостный ток I, который создает намагничивающую реакцию якоря. В результате магнитный поток, индуктируемая в якоре э. д.с. и ток I увеличиваются и т.д.

Этот процесс самовозбуждения аналогичен самовозбуждению генератора постоянного тока с той лишь разницей, что в данном случае поток машины создается самим током якоря.

На рис. изображена зависимость напряжения генератора от емкостного тока якоря I.

Если положить rа = 0, то

 

Зависимость Uг = f (I) практически идентична с характеристикой холостого хода Uг = I (if), если ток возбуждения if привести к обмотке якоря. Вследствие насыщения величина xd вдоль кривой Uг=f(I) изменяется.

С другой стороны, напряжение на конденсаторах

 

и зависимость Uc= f (I) прямолинейна

В точке А Uг = Uc. и поэтому увеличение I прекращается и процесс самовозбуждения заканчивается.

Самовозбуждение представляет собой нежелательное явление, так как оно неуправляемо и напряжения и токи при этом могут достичь опасных значений.

Асинхронное самовозбуждение

Асинхронное возбуждение синхронной машины того же вида, как н в асинхронных машинах происходит н случае, когда емкость настолько велика, что хc < . Этот вид самовозбуждения возможен только при наличии на роторе замкнутых обмоток или контуров тока, в которых при асинхронном вращении ротора относительно поля якоря индуктируются токи. Если при этом ротор в электрическом отношении симметричен (рис. в), то амплитуда тока якоря в установившемся режиме будет постоянной, а при или (явнополюсная машина без успокоительной обмотки) ток якоря пульсирует (рис. г).

В области  самовозбуждение носит промежуточный характер, когда относительная скорость ротора и поля якоря резко неравномерна и ротор периодически «проскальзывает» относительно поля якоря на величину полюсного деления. В результате медленные изменения угла нагрузки  чередуются с быстрыми (рис.1). Ток якоря при этом также пульсирует  и самовозбуждение, происходит только при замкнутой обмотке возбуждения. Такой вид самовозбуждения называют также репульсионно-синхронным.

Рис в.

Рис г.

Рис 1.

Синхронные двигатели

Применение синхронных двигателей.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cos  = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов,  работающих на электростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U2.

Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее.

Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при Рн > 200 — 300 кет их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Способы пуска синхронных двигателей.

В подавляющем большинстве случаев применяется асинхронный пуск синхронных двигателей

Обычно синхронные двигатели имеют на своем валу возбудитель в виде генератора постоянного тока параллельного возбуждения (рис. 1).

Рис 1

При пуске по схеме рис. 1, а контакты 7 разомкнуты, а контакт 8 замкнут. При этом обмотка возбуждения двигателя 2 замкнута через сопротивление 6 и асинхронный пуск происходит в наиболее благоприятных условиях. В конце асинхронного пуска, при s = 0,05, срабатывает частотное реле, обмотка которого  подключена к сопротивлению 6, и включает контактор цепи возбуждения. Контакты 7 контактора при этом замыкаются, а контакт 8 размыкается. В результате в обмотку 2 подается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм. Втягивание синхронного двигателя в синхронизм всегда обеспечено, если при асинхронном пуске скольжение в установившемся асинхронном режиме без возбуждения не превышает величины

 

где km кратность максимального момента в синхронном режиме при номинальном токе возбуждения ifн; Рн — номинальная мощность, кет ;ifс ток возбуждения при синхронизации; GD2 — маховой момент двигателя и соединенного с ним механизма,  nн номинальная скорость вращения двигателя, об/мин.

Пуск по схеме рис. 1 а отличается определенной сложностью. Поэтому в последнее время все чаще применяется схема рис.1 б с наглухо присоединенным возбудителем. При этом по цепи якоря 3 при пуске протекает переменный ток, который, однако, не причиняет вреда. При п = (0,6 — 0,7) nн возбудитель возбуждается и возбуждает синхронный двигатель, благодаря чему при приближении к синхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис.1 б происходит в менее благоприятных условиях. Во-первых, двигатель возбуждается слишком рано и при этом возникает дополнительный тормозящий момент на валу Мk . Во-вторых, в данном случае по сравнению со схемой рис. 1, а кривая асинхронного момента имеет менее благоприятный вид. Тем не менее, схема рис. 1, б обеспечивает надежное втягивание двигателя в синхронизм, если момент нагрузки на валу не превышает   (0,4 — 0,5) Mн.

Путем совершенствования пусковой обмотки двигателя можно достичь надежного втягивания в синхронизм. Пуск по схеме рис. 1, б по своей простоте приближается к пуску короткозамкнутого асинхронного двигателя и поэтому находит в последние годы все более широкое применение.

Обычно производится прямой асинхронный пуск синхронных двигателей путем включения на полное напряжение сети. При тяжелых условиях пуска (большие падения напряжения в сети и опасность перегрева пусковой обмотки или массивного ротора) производится реакторный или автотрансформаторный пуск при пониженном напряжении, как и у короткозамкнутых асинхронных двигателей

На рис. 2 показаны кривые изменения токов обмоток якоря I и возбуждения if, а также напряжения U и скорости вращения п при прямом асинхронном пуске мощного двигателя (Рн = 1500 кет, Uн= 6,0 кв, nн = 1000 об/мин) с наглухо приключенным возбудителем на холостом ходу. При п = 500 об/мин в кривой if, заметен небольшой провал, обусловленный одноосным эффектом. Двигатель втянулся в синхронизм через 11 сек под воздействием реактивного момента.

Кроме асинхронного пуска, в отдельных случаях возможны также некоторые другие способы пуска. Например, иногда можно привести синхронный двигатель во вращение на холостом ходу с помощью соединенной с ним машины (например, в агрегатах «синхронный двигатель — генератор постоянного тока»). При этом можно применить те же способы синхронизации с сетью, как и для синхронных генераторов. В некоторых случаях возможен частотный пуск, когда двигатель питается от отдельного синхронного генератора и частота последнего плавно поднимается от нуля. При этом синхронный двигатель приходит в синхронное вращение уже при весьма малой скорости. Обмотки возбуждения генератора и двигателя в этом случае

Рис 2.

необходимо питать от посторонних источников. Частотный пуск происходит наиболее благоприятно при условии, когда ток возбуждения генератора в начале пуска примерно равен номинальному, а ток возбуждения двигателя равен о характеристике холостого хода току возбуждения при U = Uн и п = nн

В последние годы внедряются системы возбуждения синхронных двигателей с питанием обмотки возбуждения от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

Векторные диаграммы синхронных двигателей

Векторные диаграммы синхронных двигателей можно изображать двояким образом.

Рис.

На диаграмме рис.  а ток I как и у генератора, рассматривается как отдаваемый в сеть. Проекция этого тока на направление U отрицательна, что свидетельствует о том, что активная составляющая тока в действительности потребляется из сети.

Если на диаграмме рис. а вектор тока повернуть на 180° и изменить знак у вектора , так как положительные направления I и  должны изменяться одновременно, то получим диаграмму рис. б, на которой ток I надо рассматривать как потребляемый из сети. Проекция I на

направление U положительна, что указывает на потребление активного тока из сети.

Из рис. а следует, что отдаваемая в сеть активная мощность

 

а в соответствии с рис., б потребляемая из сети активная мощность

 

Диаграммы соответствуют перевозбужденному двигателю, и такой двигатель, согласно рис. а, отдает в сеть отстающий ток, а согласно рис. б, потребляет из сети.  

Если     рассматривается только двигательный режим синхронной машины, то более удобно пользоваться диаграммой рис. б.

Рабочие характеристики синхронного двигателя

Рабочие характеристики синхронного двигателя мощностью Pн = 560 кет при U = Un f = fn и if = ifn, = const изображены в относительных единицах на рис.

Двигатель работает с перевозбуждением, его cos  с уменьшением полезной мощности Р2 также уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность Q увеличивается. Отсюда следует, что перевозбуждеииые недогруженные синхронные двигатели в отличие от асинхронных способствуют улучшению коэффициента мощности сети.

Синхронные компенсаторы

Как уже указывалось в синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность

В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим-регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается/постоянным.

Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу.  

Для осуществления асинхронного пуска все синхронные компенсаторы снабжаются пусковыми обмотками в полюсных наконечниках или их полюсы делаются массивными. При этом используется способ прямого, а в необходимых случаях — способ реакторного пуска. В некоторых случаях мощные компенсаторы пускаются в ход также с помощью пусковых фазных асинхронных двигателей, укрепляемых с ними на одном валу. Для синхронизации с сетью при этом обычно используется метод самосинхронизации.

Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощности, то вопрос о статической устойчивости работы для них теряет остроту. Поэтому они изготовляются с меньшим воздушным зазором, чем генераторы и двигатели, Уменьшение зазора позволяет облегчить обмотку возбуждения и удешевить машину.

Номинальная полная мощность синхронного компенсатора

 

соответствует его работе с перевозбуждением. Наибольшие значения тока и мощности в недовозбужденном режиме получаются при работе в реактивном режиме с if = 0 и Е = 0. Если пренебречь потерями, то,

 

полная мощность

 

В большинстве случаев в недовозбужденном режиме требуются меньшие мощности, чем в перевозбужденном, но в некоторых случаях необходима большая мощность. Этого можно достигнуть увеличением зазора, однако это приводит к удорожанию машины, и поэтому в последнее время ставится вопрос об использовании режима с отрицательным током возбуждения. Поскольку синхронный компенсатор по активной мощности загружен только потерями, то, согласно он может работать устойчиво также с небольшим отрицательным возбуждением.

В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектростанций.

Работа синхронных генераторов при несимметричной нагрузке

Обмотка статора синхронных генераторов обычно включается в звезду, причем нулевая точка в малых машинах изолирована, а в крупных машинах с целью выполнения релейной защиты от замыкании на землю заземляется через большое сопротивление. Поэтому токи нулевой последовательности либо отсутствуют, либо весьма невелики.

В силу этого при несимметричной нагрузке синхронных генераторов, кроме токов прямой последовательности, практически существуют только токи обратной последовательности.

Последние вызывают в машине ряд нежелательных явлений и делают режим работы машины тяжелым.

Потери энергии и нагрев ротора.

Токи двойной частоты, индуктируемые в роторе магнитным полем статора обратной последовательности, вызывают в роторе излишние потери и его нагрев, а также уменьшение к.п.д. машины.

Токи, индуктируемые обратным полем в успокоительных обмотках явнополюсных машин и в массивном роторе турбогенераторов, могут быть весьма значительными, а активные сопротивления этим токам под влиянием поверхностного эффекта будут большими.

Поэтому при значительной несимметрии нагрузки возникает чрезмерный и опасный нагрев успокоительных обмоток и массивных роторов.

Высокая температура тела ротора турбогенератора вызывает опасные деформации ротора и вероятность повреждения изоляции обмотки возбуждения. Нагрев успокоительной обмотки явнополюсной машины мало влияет на температуру обмотки возбуждения ввиду удаленности этих обмоток друг от друга и лучших условий охлаждения обмотки возбуждения явнополюсных машин.

Токи, индуктируемые обратным полем в обмотке возбуждения, меньше из-за большего сопротивления рассеяния этой обмотки. Поэтому в явнополюсных машинах дополнительный нагрев обмотки возбуждения при несимметричной нагрузке невелик.

Вибрация.

В результате взаимодействия потока возбуждения и потока обратной последовательности статора, а также поля прямой последовательности статора и поля токов двойной частоты ротора при несимметричной нагрузке на ротор и статор действуют знакопеременные вращающие моменты и тангенциальные силы, пульсирующие с частотой

 

Кроме того, вследствие этих же причин возникают пульсирующие радиальные силы притяжения и отталкивания между полюсами полей статора и ротора, стремящиеся деформировать статор и ротор. Эти силы вызывают вибрацию частей машины, шум и ослабление запрессовки сердечника статора. Пульсирующие силы двойной частоты ввиду усталостных явлений могут также вредно отразиться на прочности сварных соединений, в особенности при наличии дефектов сварки. Все указанные факторы, естественно, тем сильнее, чем больше несимметрия нагрузки.

Искажение симметрии напряжении. Токи обратной последовательности вызывают в фазах обмотки статора падения напряжения

Z2I2 векторы которых ориентированы относительно напряжений прямой последовательности в разных фазах по разному.

В результате этого симметрия напряжений генератора искажается и напряжения более загруженных фаз будут меньше. Это ухудшает условия работы приемников, в особенности асинхронных и синхронных двигателей.

В машинах с успокоительными обмотками и массивными роторами или полюсами Z2 меньше, вследствие чего и искажение симметрии напряжений у них меньше. Физически это объясняется тем, что в таких машинах поток обратной последовательности статора в значительной степени заглушается токами, индуктируемыми в роторе, и поэтому этот поток индуктирует в фазах обмотки

Высшие гармоники токов и напряжении. Как было установлено выше, ввиду неравенства сопротивлений по продольной  и поперечной осям возникает третья гармоника тока с частотой 3f1. В особенности сильное искажение формы кривой тока происходит при несиммитричных коротких замыканиях, так как при этом сглаживающее влияние внешних индуктивных сопротивлений исчезает или ослабляется. В качестве примера на рис. изображена форма кривой тока при двухфазном коротком замыкании.

Высшие гармоники ток» могут вызвать опасные резонансные явления, если в цепях обмоток статора имеются емкости (например, емкость длинных линий передачи и пр.).

В результате резонанса напряжений на зажимах обмотки статора возникают напряжения повышенных частот, которые могут превысить номинальные напряжения во много раз и повредить изоляцию машины. Это является одной из причин того, что мощные гидрогенераторы, работающие на длинные линии передачи, обычно снабжаются успокоительными обмотками. При наличии успокоительных обмоток, вследствие чего в этом случае токи остаются синусоидальными и опасность указанных перенапряжений исчезает.

Допустимая несимметрия нагрузки ограничивается прежде всего необходимостью предотвращения опасного нагрева ротора, а также вибрации машины.

колебания синхронных машин

При колебаниях или качаниях синхронной машины ее ротор вращается неравномерно я скорость его колеблется с некоторой частотой около среднего значения. Наибольший практический интерес представляет случай, когда машина работает параллельно с мощной сетью, частоту f1 тока которой можно считать постоянной. В этом случае колебания угловой скорости ротора  происходят около синхронной угловой скорости

 

Одновременно с колебаниями  происходят также колебания угла нагрузки .

Действительно, при  >c  ротор забегает вперед и угол  между векторами  и  при работе в режиме генератора увеличивается, а при  c  уменьшается.

Колебания угла  в свою очередь неразрывно связаны, как следует из векторных диаграмм, с колебаниями величин мощности Р и тока якоря I.

Поэтому внешне колебания синхронной машины проявляются в колебаниях стрелок ваттметров и амперметров. Чем больше амплитуда колебаний  и , тем больше также колебания Р и I. Если мощность сети мала, то возникают также колебания величины напряжения U.

При  ротор вращается с некоторым скольжением s относительно магнитного поля статора, и поэтому при колебаниях синхронной машины колеблется также величина s. На рис. представлены

кривые затухающих колебаний. Индексы 1 относятся к исходному режиму, до начала колебаний, а индексы 2 — к последующему режиму, после затухания колебаний.

В ряде случаев возникают весьма сильные колебания синхронных машин, которые серьезным образом нарушают их нормальную работу, а также работу энергосистемы в целом.

При колебаниях в синхронных машинах происходят сложные переходные процессы, которые ниже рассматриваются лишь в основных чертах и преимущественно с физической точки зрения.

Колебания синхронных машин бывают вынужденные и свободные.

Вынужденные колебания

Вынужденные колебания синхронной машины возникают в случаях, когда механический момент на валу непостоянен и содержит пульсирующие составляющие.

Чаще всего это бывает при соединении синхронных машин с поршневыми машинами (например, дизельный первичный двигатель у генератора и поршневой компрессор у двигателя).

Вынужденные колебания становятся особенно сильными, нежелательными и опасными, когда их частота близка к частоте собственных или свободных колебаний  и поэтому возникают резонансные явления, а также когда в общую сеть включено несколько синхронных машин, имеющих вынужденные колебания с одинаковыми или кратными частотами. Например, иногда возникают затруднения при параллельной работе так называемых синхронных дизель-генераторов, первичными двигателями которых являются дизели.

Для уменьшения вынужденных колебаний дизель-генераторы, а часто также двигатели поршневых компрессоров снабжаются маховиками. Маховики иногда присоединяются непосредственно к роторному колесу синхронной машины или ротор машины выполняется с повышенным маховым моментом (больший диаметр и вес). Дизель-генераторы имеют для уменьшения колебаний также успокоительные обмотки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75766. Основные задачи БЖД 12.77 KB
  Основные задачи БЖД Безопасность жизнедеятельности представляет собой область научных знаний охватывающих теорию и практику защиты человека от опасных и вредных факторов во всех сферах человеческой деятельности сохранение безопасности и здоровья в среде обитания. Эта дисциплина решает следующие основные задачи: идентификация распознавание и количественная оценка негативных воздействий среды обитания; защита от опасностей или предупреждение воздействия тех или иных негативных факторов на человека; ликвидация отрицательных последствий...
75767. Опасность – центральное понятие БЖД 14.38 KB
  Опасность – центральное понятие БЖД Опасность центральное понятие в науке БЖД под которым подразумеваются любые явления процессы объекты свойства предметов способные в определенных условиях причинить ущерб здоровью и жизни человека. Опасность хранят все системы имеющие энергию химически или биологически активные компоненты а так же свойства несоответствующие условиям жизнедеятельности человека. Потенциальный означает опасность возможная скрытая отложенная на потом. Признаками определяющими опасность являются: ...
75768. Номенклатура опасностей. Идентификация опасностей 16.99 KB
  Номенклатура опасностей. Идентификация опасностей. В процессе идентификации выявляются номенклатура опасностей. Главное в идентификации заключается в установлении возможных причин проявления опасностей.
75769. ДИАГНОСТИКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ МЛАДШИМИ ШКОЛЬНИКАМИ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ «ЧЕЛОВЕК-ОБЩЕСТВО» 179 KB
  Система диагностики результатов освоения младшими школьниками образовательной области Окружающий мир. Оценивание как основой метод диагностики результатов освоения содержательных линий. Оценивание метапредметных результатов освоения содержательных линий образования.
75770. Методы теории вероятностей в анализе безопасности и надежности летательных аппаратов 1.04 MB
  Теория вероятностей возникла в середине 17 в. То, что случайные явления представляют собой не исключение, а правило в реальном мире, было замечено еще в древности. Об этом словами Лукреция Кара прекрасно говорит Альфред Реньи.
75771. НОРМАТИВНО-ПРАВОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ АВТОРСКОГО ПРАВА НА ИНТЕРНЕТ-САЙТ 198 KB
  Цели и задачи работы. Целью данной работы является формирование целостного представления о сети Интернет как о явлении, имеющем правовое значение, выявление основополагающих моментов в регулировании ее деятельности. Достижение этой цели зависит от решения следующих задач...
75774. Синтез алгоритмов системы ручного и автоматического управления транспортного самолёта ИЛ-76 7.84 MB
  Аэродинамические характеристики определяющие устойчивость и управляемость самолёта Ил76 на типовых режимах полёта; Анализ продольных и боковых АДХ для транспортного самолёта Ил76 определение положения аэродинамического фокуса...