Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
271
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
1.49 Mб
Скачать

Глава 4. Синхронные машины

4-1. Общие сведения

Генераторы переменного тока, работающие на электрических станциях, в большинстве случаев являются синхронными машинами. Эти машины применяются также в качестве двигателей. Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы и двигатели.

Синхронная машина в обычном исполнении состоит из неподвижной части — статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка, и вращающейся части — ротора с электромагнитами, к обмотке которых подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щеток (рис. 4-1).

Рис. 4-1. Явнополюсная синхронная машина (2p= 8).

Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины. Ротор её выполняется или явнополюсным (с выступающими полюсами, рис. 4-1), или неявнополюсным (цилиндрический ротор,рис. 4-2).

Рис. 4-2. Неявнополюсная синхронная машина (2p= 2).

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, применяются названия: паротурбинный генератор или сокращенно турбогенератор (первичный двигатель — паровая турбина), гидротурбинный генератор или сокращенно гидрогенератор (первичный двигатель — гидравлическая турбина) и дизель-генератор (первичный двигатель — дизель).

Турбогенераторы — быстроходные неявнополюсные машины (рис. 4-2), выполняемые в настоящее время, как правило, с двумя полюсами. Турбогенератор вместе с паровой турбиной, с которой он механически соединяется называется турбоагрегатом (рис. 4-3).

Рис. 4-3. Общий вид турбоагрегата. 1-турбогенератор;2—паровая турбина.3— возбудитель.

Гидрогенераторы — в обычных случаях тихоходные явнополюсные машины (рис. 4-1), выполняемые с большим числом полюсов и с вертикальным валом (рис. 4-4).

Рис. 4-4. Общий вид гидроагрегата.

Дизель-генераторы представляют собой в большинстве случаев машины с горизонтальным валом.

Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняются с неподвижными электромагнитами, помещенными на статоре, и обмоткой переменного тока, заложенной в пазы ротора, изготовленного из листовой электротехнической стали; в этом случае обмотка переменного тока соединяется с внешней цепью через контактные кольца и щетки (рис. 4-5).

Рис. 4-5. Синхронная машина с неподвижными электромагнитами.

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится э.д.с., принято называть якорем. Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее иногда называют индуктором.

В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор — полюсной системой.

Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на большие мощности и высокие напряжения.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока в обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю [(0,3 2)%] номинальной мощности машины.

Кроме того, нужно отметить, что в современных мощных турбогенераторах, работающих с частотой вращения 3000 об/мин, окружная частота ротора достигает 180 185 м/сек; при такой частоте не представлялось бы возможным выполнить вращающийся якорь, собранный из тонких листов, механически достаточно прочным.

Ротор современного турбогенератора выполняется из цельной стальной поковки (рис. 4-6), причем берется сталь весьма высокого качества.

Рис. 4-6. Общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора. По бокам ротора расположены вентиляторы.

Катушки обмотки возбуждения закладываются в пазы, выфрезерованные на внешней поверхности ротора, и закрепляются в пазах прочными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки возбуждения закрываются кольцевыми бандажами, выполненными из особо прочной стали.

Ток для питания обмотки возбуждения синхронная машина получает обычно от небольшого генератора постоянного тока, помешенного на общем валу с ней или механически с ней соединенного. Такой генератор называется возбудителем. В случае

мощного турбогенератора вал возбудителя с валом турбо генератора соединяется при помощи полуэластичной муфты.

Схема соединений возбудителя с обмоткой возбуждения синхронной машины показана на рис. 4-7.

Рис. 4-7. Схема возбуждения синхронной машины.

В качестве возбудителя в большинстве случаев служит генератор постоянного тока с параллельным возбуждением (см. § 5-9,в). В последние годы для получения постоянного тока, необходимого для возбуждения синхронной машины, используются также различные выпрямители — ртутные, полупроводниковые и механические.

 Частота тока, наведенного в обмотке якоря, определяется частотой вращения п, об/мин, и числом пар полюсоврротора:Гц. Таким образом, для получения стандартной частотыf= 50 Гц нужно, например, при 2р= 2 иметь частоту вращенияп= 3000 об/мин (с такой частотой работают почти все современные турбогенераторы), при 2р= 72п= = 83,3 об/мин (с такой частотой работают днепровские гидрогенераторы).

Синхронные двигатели, как правило, выполняются в виде явнополюсных машин обычно на мощности от 100 кВт и выше и на самые различные частоты вращения. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с асинхронными двигателями, особенно при большой мощности и низкой частоте вращения, так как могут работать с соsφ = 1 или с опережающим током, улучшая в последнем случае соsφ = 1 всей электроустановки.

Наряду с синхронными генераторами и двигателями применяются также синхронные компенсаторы. Они представляют собой синхронные двигатели, работающие вхолостую (без нагрузки на валу) и позволяющие в широких пределах изменять потребляемый ими реактивный ток. Последнее достигается, как будет показано, путем изменения тока возбуждения синхронных компенсаторов, которые в большинстве случаев работают, потребляя опережающий реактивный ток, т. е. как конденсаторы. Они служат для компенсации сдвига фаз тока и напряжения (для улучшения соsφ) или для регулирования напряжения, например в конце линии электропередачи.

Режим работы синхронной машины, для которого она предназначена, характеризуется указанными на ее щитке номинальными величинами. На щитке синхронной машины указываются: 1) для какого режима работы машина предназначается (генератор, двигатель или компенсатор); 2) мощность (для генератора — кажущаяся мощность в В·А или кВ·А, а также — активная мощность в Вт или кВт; для двигателя — мощность на валу в Вт или кВт; для компенсатора— реактивная мощность при опережающем токе в В·А или кВ·А); 3) линейный ток в А; 4) линейное напряжение в В или кВ; 5) соsφ; 6) число фаз; 7) соединение обмотки статора (звезда или треугольник); 8) частота тока в Гц; 9) частота вращения ротора в об/мин; 10) напряжение возбуждения; 11) наибольший допустимый ток возбуждения в А (за номинальный ток возбуждения принимается ток, соответствующий номинальному режиму работы).

Следует отметить, что если для трансформатора допустимая нагрузка вполне определяется кажущейся мощностью в кВ·А, то для синхронного генератора отдаваемая им мощность в киловольт-амперах не вполне определяет его допустимую нагрузку. Необходимо указать также допустимый соsφ нагрузки генератора при отстающем токе. Последнее объясняется тем, что при работе генератора с отстающим током размагничивающее действие этого тока на основное поле будет тем больше, чем ниже соsφ, а потому, чем ниже соsφ, тем больший ток возбуждения требуется для поддержания на зажимах генератора номинального напряжения.

Мы вначале будем рассматривать работу синхронной машины в режиме генератора. При этом будем иметь в виду, что синхронная машина (как любая другая электрическая машина) обратима и что основные электромагнитные процессы в ней одинаковы независимо от того, работает ли она в режиме генератора или двигателя.

Различие между тем и другим режимами заключается в том, что в генераторе сдвиг между э.д.с. обмотки якоря и ее током меньше 90°, а в двигателе тот же сдвиг больше 90°. Вследствие этого электромагнитный момент, действующий на ротор, в генераторе направлен против вращения, а в двигателе в сторону вращения.

4-2. Холостой ход

Под холостым ходом генератора понимается такой режим его работы, при котором ток в обмотке якоря (статора) равен нулю. Следовательно, магнитное поле в синхронном генераторе при холостом ходе создается только н.с. обмотки возбуждения. Мы можем принять, что оно состоит из двух полей: основного поля, магнитные линии которого проходят через воздушный зазор и сцепляются с обмоткой статора, и поля рассеяния полюсов, магнитные линии которого сцепляются только с обмоткой возбуждения.

Основному полю соответствует поток в воздушном зазоре Ф, который при вращении полюсов будет наводить в обмотке якоря э.д.с. Важно, особенно для машин большой мощности, чтобы кривая этой э.д.с. была возможно ближе к синусоиде.

По ГОСТ 183-55 проверка синусоидальности кривой делается для линейного напряжения при холостом ходе и при рабочем соединении обмотки якоря. Критерием для оценки кривой напряжения служит коэффициент искажения синусоидальности кривой, под которым понимается выраженное в процентах отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд трех наибольших. гармонических составляющих данной периодической кривой к амплитуде ее основной гармонической. При номинальном напряжении он не должен превышать 5% для генераторов мощностью свыше 1000 кВ·А и 10% для генераторов мощностью от 10 до 1000 кВ·А. В отдельных специальных случаях требования в отношении приближения кривой напряжения к синусоидальной могут быть еще более повышены согласно особым условиям, установленным между заказчиком и поставщиком машины.

Для получения кривой э.д.с., близкой к синусоиде, прежде всего необходимо, чтобы кривая поля машины была по возможности синусоидальной. В явнополюсной машине, как указывалось, этого добиваются, придавая надлежащую форму очертанию полюсного наконечника (той части полюса, которая обращена к якорю). В неявнополюсных машинах на роторе выбирается такое соотношение между частью его окружности, не имеющей пазов, и частью окружности с пазами, чтобы в кривой поля снизились амплитуды наиболее резко выраженных высших гармоник.

Кроме того, обмотка якоря выполняется с укороченным шагом, что в значительной степени способствует улучшению формы кривой наведенной э.д.с. (см. § 3-3,е). В неявнополюсных машинах (турбогенераторы) тому же самому способствует выбор большого числа пазов на полюс и фазу (q= 612).

В тихоходных явнополюсных машинах (например, гидрогенераторы с вертикальным валом) при большом числе полюсов полюсное деление τ получается недостаточным для размещения на нем большого числа пазов, а потому приходится для таких машин часто брать q< 3. В этом случае при открытых пазах на якоре и приq, равном целому числу, в кривой э.д.с. фазы могут иметь место так называемые зубцовые гармоники с относительно большими амплитудами. Они в основном возни кают из-за поперечных колебаний поля в воздушном зазоре, обусловленных зубчатостью якоря. Такие колебания поля вправо и влево относительно оси полюсов (рис. 4-8) происходят с частотой, так как при перемещении ротора на одно пазовое деление якоряtсполучается полный период колебания.

Рис. 4-8. Картина поперечных колебаний поля в воздушном зазоре.

Соответственно этим колебаниям поля будет изменяться потокосцепление фазы, и, следовательно, в ней будет наводиться э.д.с той же частоты fг(кроме э.д.с. от первой и высших гармоник основного поля). Поэтому кривая э.д.с. получает вид, представленный нарис. 4-9.

Рис. 4-9. Осциллограмма э.д.с. синхронной машины при наличии зубцовых гармоник

 Зубцовые гармоники в кривой э.д.с. больших машин, особенно в тех случаях, когда они работают на длинные линии электропередачи, должны быть сведены по возможности до ничтожных значений. Они нежелательны потому, что могут вызвать перенапряжения резонансного характера и создать мешающие шумы в линиях связи, расположенных вблизи и вдоль линий электропередачи.

Амплитуды зубцовых гармоник не изменяются при укорочении шага, так как укорочение шага мы можем сделать только на целое число пазовых делений Поэтому приходится применять другие способы их уменьшения Достаточно эффективным способом, главным образом и применяемым в настоящее время для мощных явнополюсных машин, является выполнение обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу. В этом случае катушечные группы, составляющие фазу обмотки, состоят из различных чисел катушек; поэтому зубцовые гармоники э.д.с., наведенные в них, оказываются сдвинутыми по фазе на большой угол, близкий к 180o, что и приводит к уменьшению их амплитуды.

Практически мы можем считать, что изменение во времени потокосцеплений обмотки статора получается близким к синусоидальному. Поэтому мы можем поток Ф и наведенную им э.д.с., так же как для трансформатора, изобразить временными векторами.

При наличии на статоре трехфазной обмотки в ее фазах будут наводиться э.д.с., сдвинутые по фазе на 120°. Значение фазной э.д.с. может быть рассчитано по такой же формуле, как и для асинхронной машины (см. § 3-3):

.         (4-1)

Большое значение при исследовании синхронной машины имеет характеристика холостого хода. Она представляет собой зависимость э.д.с. E0, наведенной в обмотке якоря при холостом ходе, от токаIв(или от н.с.Fв) обмотки возбуждения при постоянной номинальной частоте вращения,n=const(рис. 4-10).

Рис. 4-10. Характеристика холостого хода, E0=f(Iв) прип=const.

Так как при п=const(следовательно,f=const) э.д.с.Е0согласно (4-1) пропорциональна Ф, то та же кривая в другом масштабе представляет собой магнитную характеристику, Ф =f(Fв).

Характеристика холостого хода может быть получена путем расчета магнитной цепи машины для различных значений потока Ф и, следовательно, э.д.с. E0. Магнитная цепь машины состоит из пяти участков: воздушного зазора, зубцового слоя статора, его ярма, полюсов (зубцового слоя ротора для неявнополюсных машин) и ярма ротора (рис. 4-11).

Рис. 4-11. Магнитная цепь явнополюсной синхронной машины.

Зная сечения этих участков, определяем индукции Bв них. Затем по кривым намагничивания для данных сортов стали находим соответствующие напряженности поляH. УмноживНна длины участков, получим магнитные напряжения, сумма которых определяет н.с. обмотки возбуждения. Наибольшее магнитное напряжение здесь приходится на воздушный зазор: оно составляет 8692% от н.с. обмотки возбуждения приE0=Uн.

Характеристика холостого хода может быть также получена опытным путем. Для этого нужно при номинальной частоте вращения синхронной машины, приводимой во вращение каким-нибудь первичным двигателем, изменять ток возбуждения Iвот нуля до некоторого максимума и затем от данного максимума опять до нуля. Измеренная при этом зависимость э.д.с.E0от тока возбужденияIвизобразится двумя ветвями характеристики: восходящей и нисходящей. Вторая пойдет несколько выше первой. Однако расхождение между ними, обусловленное гистерезисом в полюсах и ярме ротора, невелико; можно за истинную характеристику холостого хода считать кривую, проведенную посередине между ее ветвями.

Синхронные машины часто включаются на параллельную работу. При такой работе не должны возникать уравнительные токи между машинами из-за различия форм кривых их э.д.с. e=f(t). Это условие наряду с другими вызвало необходимость стандартизовать кривуюe=f(t) и выбрать в качестве стандартной синусоиду. При синусоидальных э.д.с. токи также будут практически синусоидальными. В этом случае значительно улучшаются условия работы машин, аппаратов, сетей, так как уменьшаются потери, вызванные магнитными полями токов, становится меньше опасность возникновения перенапряжений резонансного характера, ослабляется вредное воздействие линий электропередачи на линии связи.

4-3. Трехфазный синхронный генератор. Симметричная нагрузка

Рассмотрим здесь работу трехфазного синхронного генератора при симметричной нагрузке, когда векторы фазных токов равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°. При этом будем иметь в виду одиночную работу генератора, когда он работает на свою собственную сеть независимо от других синхронных машин. 

4-3.1. Реакция якоря

Токи в обмотке якоря создают н.с., которая будет вращаться относительно якоря в ту же сторону и с такой же частотой, что и н.с. обмотки возбуждения. Действительно, частота вращения н.с. якоря , а частота тока якоря, гдепп— частота вращения

полюсов; отсюда, подставляя в первое равенство значение fиз второго равенства, найдем, чтоnя=пп; направление вращения н.с. якоря зависит от порядка чередования фаз его обмотки (напримерАВC), а этот порядок чередования определяется направлением вращения полюсов.

Таким образом, н.с. якоря и н.с. обмотки возбуждения неподвижны одна относительно другой. Поле машины при нагрузке будет создаваться совместным действием обеих н.с. Оно будет отличаться от поля при холостом ходе.

Воздействие н.с. якоря на поле машины называется реакцией якоря.

Вначале будем рассматривать реакцию якоря, имея в виду качественную сторону этого явления. Количественный учет реакции якоря, так же как и внутренних падений напряжения в обмотке якоря, производится при помощи векторных диаграмм, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

Синхронный генератор может работать с отстающим или опережающим током по отношению к э.д.с. , наведенной потоком полюсов, или с током, совпадающим по фазе с э.д.с..

Рассмотрим реакцию якоря при токе, совпадающем по фазе с э.д.с. На рис. 4-12,а1изображены векторы тока, э.д.с.и потока полюсов.

Рис. 4-12. Реакция якоря. а— при ψ = 0;б— при ψ = ;в— при ψ = - .

Угол между и, который будем обозначать через ψ, равен нулю. Здесь под э.д.с.понимается та э.д.с., которая наводится в обмотке якоря потоком полюсов(потоком воздушного зазора) при холостом ходе. Нарис. 4-12,а2показаны полюсы машины и ее статор с одной фазой, причем фаза здесь заменена одной катушкой. Приданном положении фазы относительно полюсов наведенная в ней э.д.с. будет максимальной, так как поток полюсов, пронизывающий катушку в рассматриваемый момент времени, проходит через нулевое значение. Ток в фазе при= 0 будет также максимальным. Ранее из рассмотрения созданной трехфазной обмоткой вращающейся н.с. было установлено, что ее ось (ее амплитуда) совпадает с осью той фазы, ток которой имеет максимальное значение (см§ 3-4,б). Следовательно, ось н.с. совпадает с осью катушки, показанной нарис. 4-12,а2.

На этом рисунке показаны индукционные линии поля, созданного обмоткой якоря. Их направление найдено по правилу буравчика в соответствии с направлением наведенного тока, которое определено по правилу правой руки. На рис. 4-12,а2видно, что поле якоря по отношению к оси полюсов является поперечным. Намагничивающая сила якоря будет ослаблять поле на набегающей половине полюса и усиливать его на сбегающей половине полюса.

Рассмотрим реакцию якоря при токе , отстающем на 90° от э.д.с.(рис. 4-12,б1).

Рис. 4-12. Реакция якоря. а— при ψ = 0;б— при ψ = ;в— при ψ = - .

На рис. 4-12, б2показано положение катушки (фазы) относительно полюсов для момента времени, когда ток катушки имеет максимальное значение. Ток катушки достигает максимального значения на четверть периода позднее, чем э.д.с., т. е. после того как полюсы сдвинутся вправо на половину полюсного деления относительно того положения, при котором э.д.с. имеет максимальное значение. В рассматриваемом случае, как видно изрис. 4-12, б2, ось катушки совпадает с осью полюсов; следовательно, здесь н.с. и поле якоря будут продольными (действующими по оси полюсов). Намагничивающая сила якоря будет ослаблять поле, т. е. действовать размагничивающим образом.

Рассмотрим реакцию якоря при токе , опережающем э.д.с.на 90° (рис. 4-12,в1). Здесь ток будет иметь максимальное значение на четверть периода ранее, чем э.д.с., т е. в катушке он будет максимальным тогда, как полюсы расположатся относительно катушки так, как показано нарис. 4-12,в2. Направление тока будет, очевидно, такое же, как и направление э.д.с., спустя четверть периода. Нарис. 4-12,в2видно, что н.с. якоря в этом случае будет также продольной (действующей по оси полюсов). Но она будет усиливать поле машины, т. е. будет действовать намагничивающим образом.

В общем случае, когда угол сдвига тока относительно э.д.с. больше нуля, но меньше по абсолютному значению 90°, ток можно разложить на две составляющие IsinиIcos(рис. 4-13,a1 и б1) и рассматривать отдельно действие н.с., создаваемых каждой из этих составляющих (FdиFqнарис. 4-13,а2 и б2, гдеFa— н.с. якоря; ее ось совпадает с осью фазы, имеющей максимальный токIм).

Рис. 4-13. Реакция якоря при 90°. а1,а2— при отстающем токе (>0),б1,б2— при опережающем токе (<0) (Fd— продольная н.с. якоря;Fq—поперечная н.с. якоря).

Таким образом, приходим к следующим выводам: в генераторе при отстающем токе реакция якоря будет размагничивающей, а при опережающем токе — намагничивающей.

Рассмотрев реакцию якоря с качественной стороны, вначале выясним, какие поля будут иметь место в машине при ее нагрузке и что собой представляют внутренние падения напряжения в обмотке якоря. После этого перейдем к рассмотрению векторных диаграмм.

При холостом ходе поле в машине создается, как уже отмечалось, только обмоткой возбуждения. Большая часть индукционных линий этого поля проходит по главной магнитной цепи машины (воздушный зазор, зубцовый слой и ярмо статора, полюсы и ярмо ротора). Эту часть поля можно по аналогии с трансформатором назвать основным полем или полем взаимной, индукции. Ему соответствует поток в воздушном зазоре или поток полюсов Ф0. Поток полюсов и наведенную им э.д.с. мы изобразили временными векторами Ф0иЕ0(рис. 4-12, а1, б1, в1).

Аналогию между трансформатором и синхронной машиной можно распространить и на работу машины с нагрузкой, так как в этом случае поле будет создаваться совместным действием н.с. обмоток возбуждения и якоря. Обе эти н.с. и создаваемое ими поле, неизменные во времени, но вращающиеся в пространстве, будут эквивалентны соответствующим н.с. и полю, переменным во времени, но неподвижным относительно обмотки якоря. Поэтому можно считать, что пространственный сдвиг между осями н.с., равный углу 90° + ψ (рис. 4-13), соответствует такому же сдвигу по фазе (во времени) этих н.с.

Синхронная машина, работающая с постоянным током возбуждения, аналогична трансформатору последовательного включения (трансформатору тока), работающему с постоянным первичным током.

 

4-3.2. Активное и индуктивное сопротивления обмотки якоря

а) Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря.

Понятие индуктивного сопротивления рассеяния как некоторого параметра обмотки якоря синхронной машины аналогично тому же самому понятию в применении к обмотке статора асинхронной машины.

Поле рассеяния якоря можно представить себе сцепленным только с обмоткой якоря и не зависящим от других полей машины. Магнитные линии этого поля проходят между стенками пазов, между коронками зубцов статора и вокруг лобовых частей его обмотки. Можно считать, что потокосцепление рассеяния определяется только магнитной проводимостью тех воздушных промежутков, по которым проходят магнитные линии поля рассеяния. Поэтому можно принять, что между током якоря Iи потокосцеплением рассеяния, а следовательно, и наведенной им э.д.с.Еσсуществует пропорциональная зависимость:

, (4-2)

где Еσ— э.д.с. рассеяния;

хσ— индуктивное сопротивление рассеяния якоря, значение которого можно считать постоянным.

 б) Активное сопротивление обмотки якоря.

 Активное сопротивление обмотки якоря rабольше ее сопротивленияrпостоянному току, что обусловлено вихревыми токами, которые наводятся полем рассеяния обмотки якоря. Увеличениеrапо сравнению сrобычно составляет небольшую величину для современных больших машин, где главным образом и приходится с ним считаться. Для таких машин, например турбогенераторов, принимается ряд мер для уменьшения потерь, вызванных полем рассеяния. Наиболее эффективной мерой нужно считать выполнение обмотки статора из транспонированных стержней, т. е. из стержней, состоящих из некоторого числа элементарных проводников, особым образом скрученных друг с другом, вследствие чего э.д.с., наведенные в них пазовым полем рассеяния, практически равны между собой. Так как эти элементарные проводники изолированы друг относительно друга, то внутри стержней не возникает вихревых токов и ток распределяется практически равномерно по всем элементарным проводникам. Активное сопротивление обмотки якоря невелико, и обусловленное им активное падение напряжения составляет, например, для больших машин меньше 0,5% от номинального напряжения.

4-3.3. Диаграммы неявнополюсной машины

Векторные диаграммы для неявнополюсных машин были предложены А. Потье (A.Potier). Они аналогичны векторным диаграммам трансформатора. Для построения их при расчете машины необходимо иметь характеристику холостого хода, параметры обмотки статораrаихσ, а также обмоточные данные статора и ротора.

За н.с. статора можно принять ее первую гармонику, имеющую амплитуду (см. § 3-4,6)

,          (4-3)

и пренебречь при этом ее высшими гармониками. Поля, созданные последними, наводят в обмотке статора э.д.с. основной частоты и должны быть отнесены к полям рассеяния.

За н.с. ротора мы также примем ее первую гармонику, амплитуда которой определяется следующим образом. На рис. 4-14изображена кривая н.с. ротора. Ее можно считать трапецеидальной, пренебрегая ступенчатостью в той ее части, которая соответствует зубцам и пазам ротора.

Рис. 4-14. Кривая н.с. обмотки возбуждения неявнополюсного ротора.

Амплитуда первой гармоники трапецеидальной кривой

,          (4-4)

где Iв— ток в обмотке возбуждения;

up— число проводников в пазу ротора;

qp—число пазов на полюс;

.

Высшими гармониками н.с. ротора можно пренебречь, так как при обычном

значении гармоники с номером, кратным трем, почти равны нулю, а остальные незначительны. Вместо (4-4) напишем:

,          (4-5)

где wв=ирqрр— число витков обмотки в возбуждения, включенных последовательно.

Таким образом, получаем две синусоидально распределенные н.с. с амплитудами и. Они изобразятся пространственными векторами, сдвинутыми наэл. рад (рис. 4-13). Мы можем заменить их временными векторами н.с.и, пульсирующих по оси рассматриваемой фазы статора и сдвинутых по фазе (во времени) на угол.

Результирующую н.с., действующую в машине и определяющую поток в воздушном зазоре, сцепляющийся с фазой статора, найдем, сложив векторы и.

 При расчете обычно требуется определить н.с. обмотки возбуждения при заданных (например, номинальных) значениях: тока I, напряженияUиcosφ. Эта задача разрешается при помощи диаграммы неявнополюсной машины, называемой также диаграммой Потье.

Соответствующие построения для генератора, работающего с отстающим током, приведены на рис. 4-15.

Рис. 4-15. Построение диаграммы неявнополюсного генератора, работающего с отстающим током.

Здесь слева построены вектор и под заданным углом φ к нему вектор. Затем к векторуUприбавлены векторы падений напряжения: активногои индуктивного от расстояния. Таким путем найден вектор э.д.с., наведенной в рассматриваемой фазе статора потоком воздушного зазора. Потоксоздается результирующей н.с.; по аналогии с трансформатором его можно назвать главным потоком машины. Дляпо характеристике холостого хода определяется н.с..

На диаграмме она должна быть нанесена в виде вектора опережающего векторна. Зная суммуи одно из слагаемых этой суммы(вектордолжен быть проведен в направлении вектора), находим другое слагаемое, как. показано нарис. 4-15. На том же рисунке показано определение э.д.с.Е0, которая наводилась бы при холостом ходе генератора, и н.с.Fв1. Следовательно, при помощи диаграммы можно определить изменение напряжения генератора, под которым понимается повышение напряжения на его зажимах при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода при неизменных возбуждении и частоты вращения. Оно обычно выражается в процентах от номинального напряжения. Процентное изменение напряжения, таким образом, равно:

.          (4-6)

В такой же последовательности, как и для предыдущего случая, производится построение диаграммы неявнополюсного генератора, работающего с опережающим током (φ < 0) или с током, совпадающим по фазе с напряжением (φ = 0).

 

На рис. 4-16представлена диаграмма генератора, работающего с опережающим током.

Рис. 4-16. Диаграмма неявнополюсного генератора, работающего с опережающим током.

Здесь также вначале строятся заданные векторы и, затем определяется э.д.с.. Для, по характеристике холостого хода отыскивается результирующая н.с.. Далее определяется н.с. обмотки возбужденияи для нее по характеристике холостого хода — э.д.с.. Нарис. 4-16видно, что напряжение генератора при работе с опережающим током может получиться выше, чем при холостом ходе.

Если при построении векторной диаграммы вместо н.с. Fв1взять пропорциональный ей ток возбужденияIв, то весь треугольник векторов н.с. надо разделить на, как это следует из (4-5). В этом случае вместона векторной диаграмме откладывается вектор

.          (4-7)

Можно также брать, как это обычно и делается, н.с. обмотки возбуждения на полюс ; тогда вместоFaнадо взять:

,          (4-8)

где

(4-9)

может быть назван коэффициентом приведения н.с. обмотки якоря к н.с. обмотки возбуждения. Вместо Fδ1в этом случае будем иметь: .

Приведенные диаграммы дают результаты, достаточно точные для неявнополюсных машин, так как здесь можно принять, что кривая поля в воздушном зазоре при одной и той же амплитуде результирующей н.с. Fδ1почти не зависит от положения этой амплитуды относительно оси полюсов ротора.

Для явнополюсных машин указанное допущение не может быть принято, так как здесь поле, созданное результирующей н.с., зависит от положения оси этой н.с. относительно оси полюсов. Поэтому для учета реакции якоря в явнополюсных машинах применяется другой метод — именно метод двух реакций, который был предложен А. Блонделем (A.Blondel). Диаграммы, построенные на основе этого метода, называются также диаграммами Блонделя.

 4-3.4. Диаграммы явнополюсной машины

Метод двух реакций основан на разложении н.с. якоря на две н.с. — продольную и поперечную.

Продольная н.с. якоря

ψ.           (4-10)

Ось ее совпадает с осью н.с. обмотки возбуждения. При ψ > 0 н.с. Fdнаправлена против н.с.Fвобмотки возбуждения, при ψ < 0Fdдействует в ту же сторону, что иFв(см.рис. 4-13).

Поперечная н.с. якоря

ψ.           (4-11)

Ее ось совпадает с серединой междуполюсного пространства (с поперечной осью ротора).

На рис. 4-17изображены кривые н.с. якоряFaи ее составляющихFdиFqдля случая, когда токIотстает от э.д.с.на угол ψ.

Рис. 4-17. Разложение н.с. якоря Faна две составляющие — продольнуюFdи поперечнуюFq.

Допустим, что поле, созданное результирующей продольных н.с. FвиFd, не зависит от поля, созданного поперечной н.с.Fq. Такое допущение справедливо только для ненасыщенной машины, имеющей максимальные индукции в стальных участках магнитной цепи, не превышающие примерно 10000 Гс.

Для реальной машины, работающей с насыщенной магнитной цепью, раздельное рассмотрение продольного и поперечного полей не может быть теоретически обосновано. Однако с некоторым приближением и для насыщенной машины можно принять, что продольное и поперечное поля существуют независимо одно от другого, так как поперечное поле обычно в большой степени ослабляется из-за наличия междуполюсных промежутков.

 Обратимся к рис. 4-18и будем считать, что векторы представленной на этом рисунке диаграммы известны.

Рис. 4-18. Диаграмма явнополюсной машины.

Здесь: — э.д.с., которая наводилась бы потоком, если бы в машине действовала только одна н.с. обмотки возбуждения;—э.д.с., наведенная продольным потокомв воздушном зазоре, созданным результирующей продольных н.с. машины; разностьможно условно считать за э.д.с., наведенную продольным потоком реакции якоря;— поперечный поток реакции якоря, созданный н.с.; — э.д.с. наведенная потоком.

Результирующую э.д.с. можно рассматривать, как действительную э.д.с., наведенную в обмотке якоря результирующим потоком воздушного зазора. Напряжениенаходим обычным путем, вычитая изиндуктивное и активное падения напряжений.

Представленная на рис 4-18диаграмма и есть диаграмма явнополюсной машины, основанная на теории двух реакций. Изображенные здесь векторы потоков определяются по первым гармоникам соответствующих магнитных полей.

Для построения векторной диаграммы явнополюсной машины нужно предварительно найти н.с. FadиFaqобмотки возбуждения, эквивалентные по своему индуктирующему действию н.с.FdиFqобмотки якоря. Мы при этом считаем, что поля, созданные н.с.FadиFaqобмотки возбуждения, имеют такие же первые гармоники, как и поля, созданные н.с.FdиFqи обмотки якоря. Следовательно, при определенииEadиEaq, соответствующихFadиFaq, мы можем пользоваться характеристикой холостого хода, построенной как зависимость э.д.с.Е0от н.с.Fв=Iв(=— число витков обмотки возбуждения на один полюс).

Введем следующие обозначения:

;           (4-12)

,           (4-13)

где kdиkq— коэффициенты приведения продольной и поперечной н.с. якоря к н.с. обмотки возбуждения.

Для определения kdиkqобратимся к кривым полей, созданныхFв,FdиFq. Нарис 4-19,апредставлены кривые поляВвх=f(x), созданного н.с.Fв, и поляBdx=f(x), созданного н.с.Fd. Нарис. 4-19,бпоказана картина поля в воздушном зазоре, позволяющая построить указанные кривые (индукционные линии поля должны быть проведены таким образом, чтобы они были нормальны к поверхностям их входа в сталь и выхода из стали и представляли собой плавные кривые имея в виду симметрию полюса относительно его оси, можно было бы нанести картину поля только для одной его половины).

Рис. 4-19. Продольные поля (к определению kq).

 

Кривая поля созданного н.с. Fв, строятся следующим образом.

Сначала определяется поток индукционной трубки имеющей длину по оси машины, равную 1 см:

.          (4-14)

Индукция в основании трубки

,          (4-15)

где — магнитная проводимость индукционной трубки, имеющей ширину и длину основания, равные 1 см.

Кривая при другом масштабе может рассматриваться, следовательно, как кривая распределения проводимости воздушного зазора вдоль внутренней окружности статора: λx=f(x).

Мы будем считать, что форма кривой Bвх=f(x) не зависит от насыщения зубцов и ярма статора, что близко к действительным условиям, так как синхронные машины обычно имеют относительно большие воздушные зазоры.

Кривую поля Bdx=f(x), созданного продольной н.с. якоря, найдем по соотношению

,          (4-16)

так как продольная н.с. якоря по его окружности распределена синусоидально.

Если бы нам удалось так подобрать FdиFв, чтобы амплитуды первых гармоник (пунктирная синусоида нарис 4 19,а) кривыхВвх=f(x) иBdx=f(x) были равны, то FdиFвбыли бы эквивалентны по индуктирующему действию и. Практически для определенияkdможно построить кривые полейВвхиBdx приFd=Fв. Тогда отношение амплитуд первых гармоник соответствующих кривых полей будет равноkd.

Кривая поля В=f(х), созданного поперечной н.с. якоряFq, показана нарис. 4-20.

Рис. 4-20. Поперечное поле (к определению kq).

Она находится аналогичным образом по картине поля. Если взять Fq=Fв, то отношение амплитуд первых гармоник кривойВax=f(x) и кривойBвx=f(x) (рис. 4-19,а) будет равноkq.

На рис. 4-21и4-22приведены значенияkdиkqв зависимости от коэффициента полюсного перекрытиядля различных отношенийпри равномерном воздушном зазоре и при=1,5 (размерыbр, δмин, δмакс,τуказаны нарис. 4-19).

Рис. 4-21. Кривые kd=f(α) иkq=f(α.) для различных значенийпри равномерном воздушном зазоре.

Рис. 4-22. Кривые kd=f(α) иkq=f(α.) для различных значенийпри.

Для машин примерно до 100 кВА часто берут равномерный зазор, для машин большей мощности обычно =1,5.

 

На рис. 4-20видно, что кривая поперечного поля сильно искажается. Особенно резко в ней проявляется третья гармоникаBqx3. В кривой фазной э.д.с. мы будет также иметь третью гармонику. Она будет тем больше, чем большеFq, т. е. будет увеличиваться при увеличении активного токаIcosψ.

В кривой междуфазного напряжения (при соединения обмотки статора в звезду) все гармоники с номером, кратны трем, пропадают, так как они при обходе контура, состоящего из двух фаз, направлены в противоположные стороны. В кривой фазного напряжения они будут иметь место. Это обстоятельство иногда приходится иметь в виду при использовании нулевой точки обмотки статора.

В линейном напряжении при соединении обмотки статора в треугольник также не будет третьих гармоник, так как для них обмотка будет замкнута накоротко. Однако в этом случае по треугольнику будет циркулировать ток, созданный третьими гармониками фазных э.д.с., поэтому обмотку статора явнополюсной машины, как правило, соединяют в звезду.

Покажем теперь, как производится построение диаграммы явнополюсной машины по расчетным данным для определения н.с. обмотки возбуждения и изменения напряжения. При построении диаграммы будет показано, как определяется угол ψ, который необходим для вычисленияFadиFaq. Обычно считают, что амплитуда первой гармоники поперечного поля реакции якоря пропорциональна н.с.Faq, так как проводимость индукционных трубок этого поля определяется главным образом проводимостью воздушных промежутков. Поэтому для определенияEaqможно воспользоваться прямолинейной частью характеристики холостого хода или в случае необходимости ее продолжением.

На рис. 4-23показано построение диаграммы явнополюсного генератора, работающего с отстающим током.

Рис. 4-23. Построение диаграммы явнополюсного генератора, работающего с отстающим током.

Сначала должны быть построены векторы тока и напряжения, значения которых, так же как и угла φ, заданы. Затем к напряжениюприбавляем падения напряженияи. Далее на продолжении вектораоткладываем отрезок, равный . Величину находим по характеристике холостого хода для н.с.(рис. 4-24).

Рис. 4-24. Характеристика холостого хода. (к построению диаграммы явнополюсного генератора).

Таким образом, для определения точки Dзначение угла ψ не является необходимым. На линии, проведенной через точки0иD, будут находиться векторы продольных э.д.с., (ср. срис. 4-18). Перпендикуляр, опущенный из точкиАна эту линию, равен, очевидно, э.д.с.. Из приведенного построения теперь можно найти угол ψ.

Зная угол ψ, найдем Fad=kdFasinψ. Для определенияЕ0иEadнужно обратиться снова к характеристике холостого хода (рис. 4-24). Из нее по найденному значению результирующей продольных э.д.с Е0иEad, т. е. по значению, находим результирующую н.с.Fδd. Искомая н.с. обмотки возбуждения

,        (4-17)

так как при ψ > 0 Fadдействует противFв. Нарис. 4-24показано также определение э.д.с.Е0иЕad.

 

Как указывалось, приближенно считают, что продольное и поперечное поля существуют независимо одно от другого В этом случае насыщение стальных участков по продольной оси, если пренебречь полями рассеяния якоря и полюсов, определяется потоком Фδd, соответствующим э.д.с.Eδd. По предложению проф. А.И. Вольдека можно в векторные диаграммы ввести потокии, созданные н.с.ипри данном насыщении магнитной цепи. Тогда можно применить принцип наложения и складывать потокиии наведенные ими э.д.си, которые на диаграммах должны заменить э.д.с.и. Нарис. 4-24показано, как определяютсяипри данном насыщении машины по продольной оси, которое соответствует э.д.с.Eδd. Таким образом, э.д.с.ина векторных диаграммах не соответствуют насыщению машины по продольной оси при данном режиме ее работы, а представляют собой некоторые условные величины.

На рис. 4-25приведено построение диаграммы явнополюсного генератора, работающего с опережающим током (в этом случаеFв=Fδd-Fad). Оно понятно без пояснений. Из диаграммы следует, что напряжение на зажимах генератора при его работе с опережающим током может быть выше, чем при холостом ходе.

Рис. 4-25. Построение диаграммы явнополюсного генератора, работающего с опережающим током.

Рассмотренные диаграммы явнополюсной машины являются приближенными, так как в действительности поле в воздушном зазоре, созданное результирующей н.с. машины, будет отличаться от поля, полученного в результате сложения продольного и поперечного полей. Взаимное влияние этих полей приводит к изменению насыщения магнитной цепи и к искажению кривой результирующего поля, следовательно, к изменению амплитуды ее первой гармоники.

Для определения н.с. обмотки возбуждения явнополюсного генератора, соответствующей заданной нагрузке, при практических расчетах на заводах пользуются диаграммой неявнополюсного генератора. В этом случае нужно вместо взятьkdFaи обратиться к характеристике холостого ходаE0=f(Fв) (на оси абсциссFв, а неFв1). При этом получаются, как показывает опыт, практически приемлемые результаты приcosφ0,8.

 

4-3.5. Упрощенные диаграммы

Рассматриваемые здесь упрощенные диаграммы являются одними из первых диаграмм, которые начали применять при исследовании синхронных машин. В настоящее время они служат главным образом для качественного рассмотрения явлений в этих машинах. Количественный учет при их помощи получается обычно недостаточно точным. Только для машин неявнополюсных и ненасыщенных, следовательно, имеющих прямолинейную характеристику холостого хода, они могут дать точные результаты.

Если для ненасыщенной неявнополюсной машины построить векторную диаграмму по методу, изложенному в п. «г», то она будет иметь вид, представленный нарис. 4-26.

Рис. 4-26. Диаграмма ненасыщенной неявнополюсной машины.

На этом рисунке видно, что продолжение вектора попадает как раз в конец вектора. Для рассматриваемой ненасыщенной машины можно считать,

что поле реакции якоря, так же как и поле рассеяния, существует независимо от поля, создаваемого обмоткой возбуждения, и что поток реакции якоря в воздушном зазоре пропорционален н.с. якоря Fa. Следовательно, наведенная им э.д.с.Eaтакже пропорциональна н.с.Fa.

При полученных соотношениях нет необходимости раздельно рассматривать поле рассеяния и поле реакции якоря. Можно взять полное потокосцепление поля якоря с его обмоткой и рассматривать только одну наведенную им э.д.c., которая, очевидно, будет равна:

.          (4-18)

Сопротивление

,          (4-19)

называется синхронным индуктивным сопротивлением. Для ненасыщенной машины оно представляет собой постоянную величину.

При этих условиях диаграмма, данная на рис. 4-26, превращается в упрощенную диаграмму, представленную нарис. 4-27.

Рис. 4-27. Упрощенная диаграмма синхронной машины.

В соответствии с диаграммой на рис 4-27можно начертить схему замещения, в виде представленной нарис. 4-28.

Рис. 4-28. Упрощенная схема замещения синхронной машины.

В дальнейшем упрощенную диаграмму будем использовать главным образом для качественного рассмотрения процессов в синхронной машине В этом случае она позволяет наглядно и просто разрешать многие вопросы.

 4-3.6. Синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям машины

Обратимся к диаграмме явнополюсного генератора, имеющего ненасыщенную магнитную цепь (рис. 4-29)

Рис. 4-29. Диаграмма ненасыщенного явнополюсного генератора.

Его характеристика холостого хода в этом случае представляет собой прямую линию. Для такой машины мы можем применить метод наложения, т. е. считать, что в воздушном зазоре существуют независимо один от другого поток полюсов и потоки реакции якоря — продольныйи поперечный. Тогда можно индуктирующее действие каждого из этих потоков рассматривать отдельно, как это обычно делают в отношении потокосцепления.

Поток , созданный н.с. обмотки возбуждения, наводит в обмотке якоря э.д.с.. Потокиинаводят в обмотке якоря э.д.с.и.

При принятых допущениях имеем:

,

следовательно, можем написать

,          (4-20)

где хad— индуктивное сопротивление, обусловленное продольным потоком реакции якоря.

Ток

(4-21)

называют "продольным" током синхронной машины.

Аналогично можем написать:

или

,          (4-22)

где хaq—индуктивное сопротивление, обусловленное поперечным потоком реакции якоря;

(4-23)

— "поперечный" ток синхронной машины.

Имея в виду, что , можем согласнорис. 4-29и приведенным соотношениям написать:

;

и

.

Сопротивление

(4-24)

называется синхронным индуктивным сопротивлением по продольной оси, а сопротивление

(4-25)

синхронным индуктивным сопротивлением по поперечной оси.

 После замены в диаграмме на рис. 4-29э.д.с. соответствующими индуктивными падениями напряжения она получает вид, представленный на рис. 4-30.

Рис. 4-30. Видоизмененная диаграмма ненасыщенного явнополюсного генератора.

Полученную диаграмму условно называют видоизмененной. При ее построении предполагалось, что машина ненасыщенна; поэтому использовались так называемые ненасыщенные значения параметров xdиxq. В действительности при нормальных условиях работы машины стальные участки ее магнитной цепи будут насыщенными, вследствие чегоxd иxqбудут меньше их ненасыщенных значений.

Индуктивное сопротивление xqприближенно считают постоянной величиной, не зависящей от насыщения.

Величину хadможно определить по значению э.д.с.Ead, условно учитывающему насыщение по продольной оси, или по значению э.д.с., приближенно соответствующему действительному насыщению по продольной оси (смрис 4-24). Очевидно, что индуктивное сопротивлениехdне может считаться постоянной величиной — оно будет изменяться с насыщением машины.

Как отмечалось, в основу метода двух реакций положено допущение независимости друг от друга продольного и поперечного магнитных полей машины. Это позволяет процессы в машине рассматривать отдельно по ее продольной и поперечной осям.

Чтобы лучше уяснить физическое значение параметров xdиxq, представим себе следующие опыты, проведенные с синхронной машиной. Пусть ротор машины с разомкнутой обмоткой возбуждения приводится во вращение с синхронной частотой посторонним двигателем. При этом к статору подведен трехфазный ток, создающий н.с., вращающуюся с синхронной частотой в направлении вращения ротора. Допустим, что при опыте удалось установить ось вращающейся н.с. статора так, чтобы она совпадала с осью полюсов, т. е. с продольной осью машины. Тогда распределение поля, созданного н.с. статора (в данном случае продольной), получится таким, как показано нарис 4-31,а.

Рис. 4-31. Продольное поле реакции якоря и поле рассеяния (а). Схема замещения по продольной оси (б).

На рис. 4-31,авидим, что поток, сцепленный с фазой статора, состоит из потока Фadи потока Фσ. В соответствии с этим индуктивное сопротивление обмотки статора будет равноxd=xad+xσ, а наведенная в обмотке статора потоками Фσи Фadэ.д.с. равнаEad+Eσ.

Следовательно, измеряя при этом опыте напряжение, ток и мощность, можно было бы определить хd, так же как при опыте холостого хода трансформатора определяетсяx1+x12. В соответствии с изложенным для продольной оси машины можно начертить схему замещения, изображенную нарис. 4-31,б.

 Аналогичным образом можно было бы определить xq. Действительно, представим себе, что при опыте удалось установить ось вращающейся н.с. статора так, что она совпадает с поперечной осью машины. Ротор при этом вращается в ту же сторону и с такой же частотой, что и н.с. Тогда получим распределение поля, схематически показанное нарис. 4-32,а.

Рис. 4-32. Поперечное поле реакции якоря и поле рассеяния (а). Схема замещения по поперечной оси (б).

В этом случае по данным измерений тока, напряжения и мощности можно было бы найти . Схему замещения для поперечной оси машины можно начертить, как показано нарис. 4-32,б.

Проведение указанных опытов связано, однако, с большими практическими затруднениями; поэтому для определения ха, иxqприменяются другие методы, в частности, так называемый метод скольжения, который заключается в следующем.

Ротор с разомкнутой обмоткой возбуждения приводится во вращение в сторону вращения поля статора со частотой, несколько меньшей (или большей), чем частота поля. Статор в это время получает трехфазный ток от постороннего источника. Ось полюсов будет перемещаться относительно оси н.с. статора со частотой скольжения, которое должно быть установлено по возможности небольшим. При совпадении оси н.с. статора с продольной осью машины индуктивное сопротивление обмотки статора будет наибольшим, равным xd. При совпадении оси н.с. статора с поперечной осью машины индуктивное сопротивление обмотки статора будет наименьшим, равнымxq. Соответственно изменению индуктивного сопротивления обмотки статора получим медленные колебания стрелок амперметра и вольтметра, показанных в схеме опыта нарис. 4-33.

Рис. 4-33. Схема опыта для определения xdихqпо методу скольжения

Определяя при опыте и, гдеUиI— показания вольтметра и амперметра, получим:

и

.

Активным сопротивлением ввиду его малости по сравнению с хdихqпренебрегаем. Опыт надо проводить при небольших напряжении и токе, чтобы иметь ненасыщенную машину и, следовательно, ненасыщенные значенияxdиxq.

Поле реакции якоря неявнополюсной машины практически не зависит от положения оси н.с. статора относительно оси полюсов, поэтому для неявнополюсных машин можно считать:

.          (4-26).

Небольшое различие между хdихq(обычно не выше 34%) таких машин обусловлено неравномерным распределением пазов и зубцов по окружности ротора.

 

4-3.7. Применение системы относительных единиц в теории синхронных машин

Система относительных единиц или долевых значений в настоящее время широко применяется при всякого рода практических расчетах, связанных с исследованием синхронных машин. К ее основным преимуществам нужно отнести то, что она облегчает расчеты, так как здесь при вычислениях приходится иметь дело с величинами, близкими к единице, а также то, что результаты расчетов в системе относительных единиц для машин различных типов и различной мощности мало отличаются друг от друга и поэтому легко позволяют производить сравнение машин.

При этой системе величины, характеризующие режим работы машины, и ее параметры выражаются не в вольтах, амперах, киловольт-амперах, омах и т. д., а в долях соответствующих величин и параметров, принятых за единицу.

В качестве базисных величин, значения которых условно принимаются за единицу, обычно выбираются номинальные величины. Так, например, ток в относительных единицах равен , напряжение —, мощность —, вращающий момент —и т. д.

Для параметров машины, т. е. для ее активных и индуктивных сопротивлений, за единицу сопротивления принимается величина ; поэтому, обозначая долевые значения параметров теми же буквами, но со звездочкой, получим для активного сопротивления, для индуктивного сопротивления рассеянияи т. д.

Если помножить долевые значения параметров на 100, то получаются их процентные значения:

Долевое значение индуктивного сопротивления реакции якоря по продольной оси машины может быть выражено следующим образом:

Так как для ненасыщенной машины

и в соответствии с прямолинейной характеристикой холостого хода

где с— коэффициент пропорциональности;F— магнитное напряжение воздушного зазора, то получим, [д.e.]:

(4-27)

Если учесть формулы для н.с. m-фазной обмотки , магнитного напряжения воздушного зазора, линейной нагрузки[А/см], полюсного деления, то соотношение (4-27) можно переписать в следующем виде:

(4-28)

Соотношением (4-28) устанавливается зависимостьот геометрических размеровии от электромагнитных нагрузокAиB.

Для изменения обычно приходится изменять воздушный зазор, так как остальные величины для нормальных машин могут быть изменены лишь в небольших пределах.

Аналогичным образом найдем выражение для индуктивного сопротивления реакции якоря по поперечной оси:

Учитывая, что Eaq=cFaq=ckqFacos, получим, [д. е.]:

(4-29)

Из (4-27) и (4-29) следует, [д. е.]:

(4-30)

Долевые значения отдельных параметров, обычные для современных синхронных машин, приведены в следующей таблице: 

Таблица 4-1

Типы машин

Параметры

 

 

Неявнополюсные машины

(турбогенераторы)

Двухполюсные

1,6 – 2

1,55 – 1,95

0,10 – 0,18

Четырехполюсные

1,4

1,37

0,14

 

Явнополюсные машины

Генераторы и двигатели

0,6 – 1,5

0,4 – 0,9

0,11 – 0,15

Компенсаторы

1,6 – 2,1

0,95 – 1,2

0,12 – 0,18

 Из этой таблицы следует, что значение ха определяется в основном значением.

 4-3.8. Характеристики и векторные диаграммы

При исследовании синхронных генераторов, так же как и при исследовании других электрических машин, обращаются к их характеристикам, т. е. к кривым, определяющим зависимости между величинами, характеризующими рабочие режимы машины.

Обычно синхронные генераторы работают с постоянной частотой вращения, что обусловлено необходимостью поддерживать постоянной частоту тока. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать характеристики, которые получаются при постоянной частоте вращения.

Одной из важнейших характеристик является рассмотренная ранее характеристика холостого хода. Она влияет на форму почти всех других кривых синхронной машины, характеризующих ее работу при нагрузке.

Характеристики генератора могут быть сняты опытным путем. Их также можно построить по характеристике холостого хода и параметрам машины, полученным расчетным или опытным путем. Такое построение позволяет выявить влияние различных параметров машины на ее характеристики. Оно будет показано в дальнейшем. Одновременно с этим будут рассмотрены способы опытного определения параметров машины.

а) Характеристика короткого замыкания.

 Характеристика короткого замыкания Iк=f(Iв) приU= 0 =constпредставлена нарис. 4-34.

Рис. 4-34. Характеристика короткого замыкания и ее построение.

Здесь имеется в виду установившийся ток короткого замыкания Iк, т. е. ток, значение которого длительно держится постоянным.

При снятии этой характеристики опытным путем используются схемы, приведенные на рис. 4-35,а и б.

Рис. 4-35. Схемы для опытов короткого замыкания.

Для схемы на рис. 4-35,анеобходимо иметь три одинаковых амперметра. Обычно опыт проводится при схеме нарис. 4-35,б. Некоторая несимметричность отдельных цепей в данном случае допустима, так как сопротивление амперметра значительно меньше сопротивления отдельных фаз обмотки.

Характеристика короткого замыкания, как увидим из построения ее расчетным путем, должна идти в виде прямой линии.

Обратимся к векторным диаграммам короткозамкнутого генератора

На рис 4-36,апредставлена диаграмма явнополюсного генератора, на которой:

; ;;;

;;.

Рис. 4-36. Диаграммы короткозамкнутого генератора. а— явнополюсного;б—неявнополюсного

 

Так как в обычных, случаях , то можем написать:. Следовательно, по характеристикам холостого хода и короткого замыкания (рис. 4-34) можно определитьхd:

.          (4-31)

То же самое получаем для неявнополюсного генератора (рис. 4-36,би4-34).

Приведенное соотношение дает значение xdдля ненасыщенной машины, если э.д.с.берется по прямолинейной части характеристики холостого хода или по ее продолжению. Если характеристики построены в относительных единицах, то, очевидно, и сопротивлениеxdполучится в относительных единицах.

При помощи характеристики холостого хода и короткого замыкания можно также определить продольную н.с. реакции якоря Fad, если известна величинахσ. Для этого нужно на характеристике холостого хода отложить, тогдадаст результирующую н.с. по продольной оси, а— продольную н.с. реакции якоря, равнуюFad=kdFa(рис. 4-34).

При этих построениях мы пренебрегаем активным падением напряжения. В противном случае надо было бы взять равнымIzσ, где. Но обычнохσво много раз большеrа, поэтому можно вместоzσбратьхσ.

На рис. 4-35,бпредставлена диаграмма неявнополюсного короткозамкнутого генератора. Сопоставляя ее срис. 4-34, можно установить, что для неявнополюсных машин отрезокпрактически равен н.с. реакции якоря(приведенной к н.с. обмотки возбуждения).

Теперь рассмотрим, как производится построение характеристики короткого замыкания по расчетным данным.

Отложим на характеристике холостого хода (рис. 4-34) отрезок(или точнее, равныйIкzσ), затем от точкиDна оси абсцисс отложим отрезок, равный для явнополюсной машиныFad=kdFa, а для неявнополюсной машины равный. Тогда точкаB1дает точку характеристики короткого замыкания для тока/к, для которого определялись падение напряженияIкxσи н.с.Fadили. Пока точка С лежит на прямолинейной части характеристики холостого хода, отрезкипропорциональные токуIк, будут изменяться пропорционально токам возбужденияи т. д., и, следовательно, характеристика короткого замыкания изобразится прямой линией. Поэтому для ее построения достаточно найти одну точку, напримерВ1, и провести прямую через точку 0 и найденную точкуВ1.

Для очень больших значений тока якоря, при которых точка Спопадает за колено характеристики холостого хода, характеристика короткого замыкания будет загибаться в сторону оси абсцисс. Однако с такими значениями установившегося тока короткого замыкания на практике иметь дело не приходится.

Прямоугольный треугольник DC1A1нарис. 4-34, у которого один катет равенIxσ, а другой — н.с. реакции якоряFad (или), называется реактивным треугольником (также треугольником Потье). Стороны его могут быть определены опытным путем, как показано в следующем пункте.

 б) Индукционная нагрузочная характеристика.

Из нагрузочных характеристик, представляющих собой зависимости U=f(Iв) приI=constиcosφ =const, практическое значение имеет лишь нагрузочная характеристика приcosφ = 0. Будем ее называть индукционной нагрузочной характеристикой. Она может быть снята при использовании в качестве нагрузки другой синхронной машины, включенной на параллельную работу с испытуемой (см.§ 4-7).

Если характеристика снимается опытным путем при нагрузке генератора на реактивную катушку, то cosφ, очевидно, нельзя установить равным нулю. Однако опыт показывает, что при снятии рассматриваемой характеристики достаточно установитьcosφ0,2. Поэтому при испытании генераторов небольшой мощности в качестве нагрузки иногда используются реактивные катушки с переменной индуктивностью, имеющие относительно небольшие потери.

На рис. 4-37,апредставлена индукционная нагрузочная характеристика.

Рис. 4-37. Индукционная нагрузочная характеристика и определение сторон реактивного треугольника.

Ее точка Ав соответствии с тем током, для которого она снималась, может быть взята из характеристики короткого замыкания (рис. 4-34). Нарис. 4-37,а, кроме индукционной нагрузочной, изображена также характеристика холостого ходаЕ0. При помощи этих двух характеристик можно определить, как будет показано, сопротивлениехσи н.с. реакции якоряFad(в случае явнополюсной машины) или (в случае неявнополюсной машины).

Покажем вначале, как может быть построена индукционная нагрузочная характеристика, если известны характеристика холостого хода и катеты реактивного треугольника, т. е. IхσиFadили . Для этого нужно построить реактивный треугольникDСАв нижней части характеристики холостого хода (рис. 4-37,а) и передвигать его параллельно самому себе так, чтобы вершинаСскользила по характеристике холостого хода; тогда вершинаАопишет искомую характеристику. Для того чтобы убедиться, что точки полученной таким образом характеристики, действительно дают напряжения генератора при его работе с соsφ=0, рассмотрим построенные для этого случая диаграммы явнополюсной и неявнополюсной машин (рис. 4-37,б и в). Для диаграммы явнополюсной машины, если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, получим:

; ; ; ;

; ; ;

(Id=I, так как; здесьxad, а следовательно, иxd— значения сопротивлений по продольной оси при условном учете насыщения ), для диаграммы неявнополюсной машины

; ; ; ;

; .

 

Теперь покажем, как по характеристикам холостого хода и индукционной нагрузочной, снятым опытным путем, определяются IxσиFadили.

Из предыдущего следует, что если треугольник 0САпередвигать параллельно самому себе так, чтобы вершинаАскользила по нагрузочной характеристике, то вершинаСбудет скользить по характеристике холостого хода. В верхней части характеристик этот треугольник займет положение 01С1A1(рис. 4-37,а). Отсюда вытекает метод определения его сторон, т. е. сторон реактивного треугольника. Согласно этому методу проведем через точкуA1линию, параллельную оси абсцисс. На этой линии отложим отрезок, равный отрезку . Если теперь провести через точку01линию, параллельную начальной части характеристики холостого хода, то получим точкуC1. Опустив из точкиС1перпендикуляр на линию01A1, найдем искомый реактивный треугольникD1C1A1.

Приведенный метод определения сторон реактивного треугольника несколько неточен. В действительности нагрузочная характеристика, снятая опытным путем (пунктирная кривая на рис. 4-37,а), при больших насыщениях полюсов и ярма ротора пойдет несколько ниже, чем нагрузочная характеристика, построенная при помощи реактивного треугольника (сплошная кривая нарис. 4-37,а). Расхождение кривых объясняется тем, что при больших насыщениях полюсов и ярма ротора поток рассеяния обмотки возбуждения заметным образом повышает их магнитные напряжения, ничтожно малые при слабых насыщениях (например, при коротком замыкании). При нагрузке поток полюсов и ярма ротора слагается из потока, соответствующего э.д.с.Eδd(илиEδ), и потока рассеяния обмотки возбуждения, созданного н.с.Fв, а не н.с.Fδd(илиFδ), как это принимается при расчете характеристики холостого хода. Расхождение опытной и расчетной характеристик обычно невелико для нормальных машин; все же сопротивление, найденное по указанному методу, несколько отличается от сопротивления рассеянияхσ, поэтому его иногда называют индуктивным сопротивлением Потье и обозначают черезхp.

Для неявнополюсных машин хpполучается обычно близким кхσ. Для явнополюсных машинхp(1,11,3 хσ, если определениехpпроизводится при напряжении(рис 4-37,а). Вообще жехpзаметным образом зависит от выбора точкиА1на нагрузочной характеристике.

Можно также приближенно найти стороны реактивного треугольника, если перенести (при помощи прозрачной бумаги) нагрузочную характеристику так, чтобы возможно большая нижняя часть ее совпала с характеристикой холостого хода. Тогда точка Адолжна попасть в точкуС.

 в) Регулировочные характеристики.

 Регулировочные характеристики Iв=f(I) приU=constиcosφ =constпредставлены нарис. 4-38.

.

Рис. 4-38. Регулировочные характеристики.

Они показывают, как нужно изменять возбуждение, чтобы при изменении тока нагрузки и сохранении соsφ =constнапряжение на зажимах генератора оставалось постоянным.

Регулировочные характеристики могут быть сняты опытным путем или найдены при помощи векторных диаграмм, если известны характеристика холостого хода и параметры: xσ,xd(«ненасыщенное» значение),xq. В последнем случае приходится строить ряд диаграмм для различных значений токаIпри одних и тех же заданных напряженииUиcosφ.

Покажем на конкретных примерах, как производится построение диаграмм неявнополюсного и явнополюсного генераторов для определения тока возбуждения при заданной нагрузке: U,I,cosφ. Для примеров возьмем турбогенератор (т) и гидрогенератор (г) и будем пользоваться при построении диаграмм «нормальными» характеристиками холостого хода в относительных единицах (рис. 4-39):

;

здесь

, ,

где Iв.0— ток возбуждения, соответствующий номинальному напряжению при холостом ходе. Эти характеристики построены нарис. 4-39по даннымтабл. 4-2

Рис. 4-39. Характеристики холостого хода турбогенераторов (т) и гидрогенератора (г) (к построению векторных диаграмм на рис. 4-40и4-41).

 

Характеристики холостого хода современных турбогенераторов и гидрогенераторов в относительных единицах мало отличаются от нормальных характеристик, построенных по табл. 4-2, где приведены усредненные значения по данным испытания многих машин. При приближенных расчетах ими можно пользоваться, если нет данных действительных характеристик холостого хода.

Таблица 4-2

Нормальные характеристики холостого хода (по данным заводов Советского Союза)

0

0,50

1,0

1,50

2,0

2,5

3,0

3,5

Примечание

0

0,58

1,0

1,21

1,33

1,4

1,46

1,51

Для турбо-

генераторов

0

0,53

1,0

1,23

1,30

Для гидро-

генераторов

 Векторные диаграммы будем строить также для величин в относительных единицах:

Они представлены на рис 4-40и4-41, гдеU*=1,I*=1 иcos=0,8.

Рис. 4-40. Диаграмма  турбогенератора: 25000 кВт (31250 кВА); 6300 В; 2870 А; cosн= 0,8; 3000 об /мин;= 0,00225;= 0,11;= 1,86 (xq);= 1,75 (из характеристики холостого хода для= 2,36;= 1,39).

Рис. 4-41. Диаграмма гидрогенератора: 30000 кВ А; 13 800 В; 1 260 А; cosφн=0,8; 75 об/мин;= 0,005;= 0,11;= 0,81:= 0,70;= 0,49;= 0,38 (из характеристики холостого хода для= 1,67,=l,25).

На рис. 4-39показано, как по данным значениямдля турбогенератора идля гидрогенератора определяются соответствующие н.с.и. Здесь– продольная н.с. якоря при.

Продольная н.с. реакции якоря при значении угла , найденном по диаграммерис. 4-41, есть:

 

г) Внешние характеристики.

 Внешние характеристики U =f(I) приIв=constиcos=constпредставлены нарис 4-42. Их обычно снимают установив приI=Iнтакой ток возбужденияIв, чтобы при заданномcosφполучитьU=Uн. По характеристикам могут быть найдены процентные значения изменения напряжения при переходе генератора от нагрузки к холостому ходу.

Рис. 4-42. Внешние характеристики.

Определение внешних характеристик может быть произведено по регулировочным характеристикам, построенным при помощи векторных диаграмм и характеристики холостого хода.

Пусть требуется определить внешнюю характеристику при номинальном токе возбуждения Iв.н, соответствующемUнприIни соsφн. В этом случае известны, следовательно, две точки внешней характеристики:UнприIни .U0=E0приI= 0. Для определения промежуточных точек нужно построить регулировочные характеристики дляcosφн=constи напряженийU',U", ..., значения которых лежат междуU0иUн.

На рис. 4-43показано, как определяются промежуточные точки внешней характеристики по регулировочным характеристикам.

Рис. 4-43. Построение внешней характеристики по регулировочным.

 

4-3.9. Кратности тока короткого замыкания

Различают кратности тока короткого замыкания при «возбуждении холостого хода»

(4-32)

и при номинальном возбуждении

,          (4-33)

где Iк0— ток короткого замыкания при возбужденииIв0, соответствующемE0=Uнпри холостом ходе, аIк.н— ток короткого замыкания при номинальном возбуждении.

Большее практическое значение имеет величина Iк0, которую называют также отношением короткого замыкания и обозначают ОКЗ:fк0= ОКЗ.

Значения fк0иfк.н могут быть определены по характеристике короткого замыкания.

Если последняя построена в относительных единицах, то значения тока статора при токах возбужденияи будут равны соответственноfк0иfк.н.

Их можно также определить по формулам:

и

,

где и— значения э.д.с. по спрямленной характеристике холостого хода прии, аxd() — ненасыщенное значение продольного синхронного сопротивления. Обычные значения ОК3 =fк0лежат в следующих пределах: для турбогенераторов ОКЗ = 0,550,9; для гидрогенераторов ОКЗ = 0,91,9.

 4-4. Несимметричная нагрузка трехфазного генератора

Несимметричная нагрузка трехфазных генераторов получается при неравномерном распределении однофазных приемников энергии. Однако в большинстве случаев достижение практически симметричной нагрузки не представляет затруднений.

Если нагрузку составляют однофазные электрические печи большой мощности, например на металлургических заводах, то распределению таких приемников энергии между фазами трехфазной сети следует уделять особое внимание. При наличии на указанных заводах собственных небольших электрических станций все же приходится считаться с возможностью заметной несимметрии нагрузки генераторов этих станций.

Несимметричная нагрузка может получиться при аварийных режимах, например в случае обрыва одного из проводов линии или при работе генераторов на линию через неполную трансформаторную группу. Возможны также несимметричные короткие замыкания: двухфазное, однофазное (при наличии нулевого провода).

Таким образом, исследование работы трехфазных генераторов при несимметричной нагрузке наряду с теоретическим имеет и практическое значение. При этом исследовании мы будем пользоваться методом симметричных составляющих. Примем, что нагрузка характеризуется несимметричной системой токов в фазах статора , которая при разложении дает все три симметричные составляющие системы:(токи прямой последовательности);(токи обратной последовательности);(токи нулевой последовательности). Можно действие каждой из этих симметричных систем токов в синхронной машине с симметричной обмоткой на статоре учитывать отдельно.

Токи прямой последовательности создадут н.с., вращающуюся в сторону вращения полюсов с синхронной частотой. Будем ее называть прямо-синхронной н.с. Она будет неподвижна относительно полюсов и определенным образом воздействовать на основное поле машины, т. е. создавать реакцию якоря в том смысле, в каком понимается это явление.

Токи обратной последовательности создадут н.с., вращающуюся в обратную сторону с синхронной частотой. Будем ее называть обратно-синхронной или обратной н.с. Она будет вращаться относительно полюсов с двойной синхронной частотой и вызовет соответствующее обратно-синхронное (или обратное) поле.

Токи нулевой последовательности создадут н.с., первые гармоники (так же как и гармоники с номером 5, 7, 11, 13 и т. д.) которые в сумме дадут нуль. Останутся только гармоники с номером, кратным трем. Они вызовут пульсирующие поля, оказывающие на работу машины относительно слабое влияние.

 а) Обратно-синхронное поле.

 Обратно-синхронное поле, вызванное обратной н.с статора, не будет иметь, как увидим, постоянной амплитуды.

Если бы были одинаковы магнитные проводимости и электрические цепи ротора по его продольной и поперечной осям, то мы могли бы считать, что работа синхронной машины по отношению к токам обратной последовательности подобна работе асинхронной машины в режиме тормоза при скольжении s= 2. В действительности мы должны учесть как различие магнитных цепей, так и различие электрических контуров ротора по его продольной и поперечной осям. Вследствие указанного различия обратно вращающееся поле будет непостоянным. Оно будет изменяться в зависимости от положения его оси относительно оси полюсов.

В машине с цилиндрическим массивным ротором при разомкнутой обмотке возбуждения обратное поле практически не будет изменяться, так как здесь магнитные проводимости по продольной и поперечной осям ротора почти одинаковы. Поле будет в большой степени заглушаться вихревыми токами, наведенными им в массивном роторе. При замкнутой обмотке возбуждения обратное поле по продольной оси будет ослабляться в большей степени, чем по поперечной оси, так как н.с. от токов двойной частоты, наведенных в обмотке возбуждения, будет действовать против обратной н.с. при совпадении ее оси с осью полюсов. Все же различие обратного поля по продольной и поперечной осям ротора и в этом случае получается относительно небольшое, так как основное заглушающее действие оказывают вихревые токи, наведенные в массивном роторе.

Обратимся к явнополюсной машине, и будем считать, что ее полюсы и ярмо ротора собраны из листов и что на полюсах помещена только одна обмотка возбуждения.

Для более подробного рассмотрения действия обратной н.с. статора, вращающейся относительно ротора с двойной синхронной частотой, целесообразно заменить ее двумя пульсирующими с двойной частотой н.с., связанными с вращающимся ротором. Обе эти пульсирующие н.с. должны иметь амплитуды, равные амплитуде обратной н.с. статора, и быть сдвинутыми в пространстве и во времени на 90°. Тогда, очевидно, их результирующая дает исходную обратную н.с. статора. Будем считать, что одна из пульсирующих н.с., связанных с ротором, пульсирует по продольной оси, а другая по поперечной оси. Первую назовем продольно пульсирующей составляющей, а вторую — поперечно пульсирующей составляющей обратной н.с. статора.

Продольно пульсирующая н.с, вызывает пульсирующее с двойной частотой продольное поле. Оно будет в большой степени заглушаться действием токов, наведенных им в обмотке возбуждения. В результате наложения переменного тока на постоянный кривая тока в обмотке возбуждения будет иметь вид, представленный на рис. 4-44. Поэтому при измерении тока возбуждения магнитоэлектрическим амперметром показание его будет меньше, чем при измерении того же тока каким-либо другим амперметром, например тепловым или электродинамическим.

Рис. 4-44. Кривая тока в обмотке возбуждения при наличии обратного поля

Поле, вызванное поперечно пульсирующей составляющей обратной н.с. статора, будет ослабляться в небольшой степени, так как вихревые токи, возникающие в стальных листах ротора, будут создавать лишь незначительную противодействующую н.с. Следовательно, результирующая поперечно пульсирующая н.с. будет больше, чем результирующая продольно пульсирующая н.с.

Чтобы выяснить действие результирующей поперечно пульсирующей н.с., заменим ее двумя н.с., вращающимися относительно ротора в разные стороны с двойной синхронной частотой 2п. Так как сам ротор вращается с синхронной частотой, то одна из указанных вращающихся н.с. будет вращаться относительно статора с частотой -2п+п= -п, т. е. с синхронной частотой в обратную сторону относительно статора, а другая — с частотой 2п+п= 3п, т. е. с тройной синхронной частотой. Первая н.с. создает поле, которое наводит в обмотке статора э.д.с. номинальной частоты, но обратной последовательности; вторая н.с. создает поле, которое наводит в обмотке статора э.д.с. тройной частоты. Эти э.д.с. тройной частоты, наведенные в фазах обмотки статора, будут сдвинуты по фазе на 120°; следовательно, они будут  проявляться как в фазных, так и в междуфазных напряжениях. Их следует отличать от э.д.с., наведенных третьими гармониками поля. Можно себе представить, что рассматриваемые э.д.с. тройной частоты создаются полем ротора с тем же числом полюсов, какое он имеет, но вращающимся с тройной синхронной частотой.

Для того чтобы работа генератора при наличии токов обратной последовательности могла быть удовлетворительной, необходимо ослабить поле, создаваемое поперечно пульсирующей н.с. Вместе с тем желательно, чтобы поле, создаваемое продольно пульсирующей н.с., заглушалось не токами в обмотке возбуждения, а токами в другой обмотке, специально для этого устроенной. В этом случае удается почти совершенно избавиться от токов двойной частоты в обмотке возбуждения, ухудшающих условия коммутации возбудителя. Для ослабления указанных вредных действий обратной н.с. статора на роторе устраивается особая обмотка, называемая успокоительной. Она, как будет показано в дальнейшем, часто имеет и другое назначение.

 б) Успокоительная обмотка.

 Успокоительной (или демпферной) обмоткой называется короткозамкнутая обмотка, помещенная на роторе. В явнополюсной машине успокоительная обмотка обычно выполняется в виде стержней, заложенных в пазы полюсных наконечников и соединенных на торцовых сторонах пластинами. Если пластины с торцовых сторон соединяют стержни лишь в пределах полюсной дуги, то получается продольная успокоительная обмотка (рис. 4-45). Если пластины при этом соединяются в кольца, размещенные вдоль всей окружности ротора, то получается продольно-поперечная обмотка (рис. 4-46).

Рис. 4-45. Продольная успокоительная обмотка.

Рис. 4-46. Продольно-поперечная успокоительная обмотка.

При наличии успокоительной обмотки продольно пульсирующая н.с. будет уравновешиваться главным образом токами в этой обмотке. Тем самым обмотка возбуждения почти совершенно освобождается от токов двойной частоты. (В данном случае можно провести аналогию с трехобмоточным трансформатором, имеющим одностороннее расположение вторичных обмоток. При замыкании накоротко вторичной обмотки, расположенной рядом с первичной, ток, наведенный в другой вторичной обмотке, замкнутой накоротко, будет очень мал (см. § 2-16).) При наличии короткозамкнутых контуров по поперечной оси будет также ослабляться действие поперечно пульсирующей н.с.

Успокоительная обмотка должна иметь небольшие активное и индуктивное сопротивления — только в этом случае ее действие будет достаточно эффективным.

Современные турбогенераторы отечественных заводов не имеют на роторе особых успокоительных обмоток. Здесь роль успокоительной обмотки выполняют контуры вихревых, токов, наведенных обратным полем в массивном роторе Они оказывают сильное заглушающее действие.

 в) Параметры синхронной машины при несимметричной нагрузке.

 Для обычных случаев, когда статорная обмотка генератора симметрична, э.д.с. холостого хода , наведенные в фазах, образуют симметричную звезду векторов. Они, как указывалось ранее, могут быть найдены при помощи векторных диаграмм по э.д.с., которые также образуют симметричную звезду векторов, так как эти э.д.с. наводятся потоком воздушного зазора, созданным результирующей н.с. обмотки возбуждения и прямо-синхронной н.с. статора (от токов прямой последовательности). Действие прямо-синхронной н.с. статора и представляет собой реакцию якоря, которую мы можем учесть, например для фазыаэ.д.с.. Для ненасыщенного неявнополюсного генератора.

Токи прямой последовательности вызовут в фазах статорной обмотки падения напряжения:

при Zσ=rа+jxσ, гдеrаихσ— активное и индуктивное сопротивления рассеяния.

Полю, вызванному обратной н.с. от токов обратной последовательности, соответствует индуктивное сопротивление x2для этих токов. Оно называется индуктивным сопротивлением обратной последовательности. Сопротивлениех2будет изменяться в соответствии с изменением магнитной проводимости для обратно вращающегося поля, причем здесь имеется в виду проводимость индукционных трубок этого поля с учетом его оттеснения под действием токов, наведенных в контурах ротора.

Можно принять с некоторым приближением, что x2пропорционально среднему значению проводимостей обратно вращающегося поля, получающихся при совпадении его оси с продольной и поперечной осями ротора. Очевидно, чтох2>хσ, так как токи обратной последовательности наряду с полем рассеяния, аналогичным полю рассеяния от токов прямой последовательности, создают также поле внутри статора.

Активное сопротивление обратной последовательности r2также отличается от сопротивленияr1=rа. Оно обусловлено не только электрическими потерями в обмотке статора и потерями, вызванными полями рассеяния (что мы имеем дляrа), но и потерями в электрических цепях ротора от токов, наведенных обратным полем.

Токи обратной последовательности вызовут в фазах статорной обмотки падения напряжения:

где .

При наличии в обмотке статора токов нулевой последовательности, которые могут иметь место только при соединении обмотки в звезду и при использовании нулевого провода, эти токи будут вызывать падения напряжения:

где .

Сопротивления — сопротивления нулевой последовательности.

Пренебрегая высшими гармониками н.с. отдельных фаз, созданных токами нулевой последовательности, получим, что их результирующая н.с. равна нулю. Следовательно, токи нулевой последовательности не будут создавать поля внутри статора. Будет возникать только поле рассеяния. Но оно отличается от поля рассеяния токов прямой последовательности вследствие различия взаимной индукции фаз. Сопротивление r0r1; сопротивлениех0обычно меньшехσ. Оно в большой степени зависит от укорочения шага обмотки, а также от расположения ее лобовых частей.

 г) Уравнения напряжений при несимметричной нагрузке.

 Для напряжений, например, фазы амы может написать следующее уравнение:

.          (4-34)

Напряжения фаз равны:

(4-35)

Линейные напряжения при соединении фаз в звезду:

(4-36)

Сопоставляя уравнение (4-34) и первое уравнение (4-35), можем написать:

(4-37)

Из (4-35), (4-36) и (4-37) следует, что симметрия фазных напряжений нарушается из-за наличия составляющих обратной и нулевой последовательностей, а симметрия линейных напряжений — только из-за наличия составляющих обратной последовательности, причем указанные составляющие напряжений вызваны токами соответствующих последовательностей.

д) Допустимые значения тока обратной последовательности.

 Токи нулевой последовательности в значительно меньшей степени влияют на условия работы синхронной машины, чем токи обратной последовательности. Поэтому приходится считаться главным образом с влиянием последних.

Выясним допустимое значение тока обратной последовательности, во-первых, в отношении нарушения симметрии линейных напряжений и, во-вторых, в отношении нагревания ротора.

Рассмотрим первое. При несимметричной нагрузке линейные напряжения состоят из напряжений прямой и обратной последовательностей, причем напряжение обратной последовательности согласно предыдущему равно: .

Можно приближенно принять z2=x2; тогда, считая, что напряжение прямой последовательностиU1, равно номинальному напряжению генератораUн, будем иметь:

.

Выражая сопротивление x2в относительных единицах , получим:

где — коэффициент несимметрии напряжений.

Если принять максимальное допустимое значение этого коэффициента равным 0,05, то ( Ранее указывалось, что длительная работа трехфазных асинхронных двигателей даже приU2/U1= 0,05 может представлять для них опасность (см.§ 3-21,в).)

Для явнополюсных генераторов без успокоительной обмотки обычные значения = 0,350,65; следовательно, для таких генераторов получим:

Для генераторов с достаточно совершенной продольно-поперечной успокоительной обмоткой (к ним можно отнести и турбогенераторы) = 0,150,25; следовательно, будем иметь:

Обращаясь теперь к вопросу о допустимом токе обратной последовательности в отношении нагревания ротора, отметим прежде всего, что допустимое его значение будет зависеть от длительности режима работы при этом токе.

Особенно чувствительными к потерям, вызванным обратно вращающимся полем, являются турбогенераторы, не имеющие отдельных успокоительных обмоток. Роторы современных больших турбогенераторов из условий допустимой окружной скорости приходится выполнять с ограниченным диаметром, что заставляет брать относительно высокую плотность тока для проводников обмотки возбуждения, так как только в этом случае размеры проводников позволяют уложить их в пазы ротора. Следовательно, учитывая повышенные потери в обмотках возбуждения, а также плохие условия ее охлаждения, нужно считать, что ротор в отношении теплового режима является весьма напряженной частью турбогенератора и что излишние потери в нем для него опасны. Вопрос о допустимом значении тока обратной последовательности для турбогенератора в отношении нагрева должен разрешаться опытным путем.

Если имеется в виду несимметричная нагрузка, то явнополюсную машину следует снабдить успокоительной обмоткой для уменьшения обратно вращающегося поля. Успокоительная обмотка должна быть так рассчитана, чтобы возникающие в ней потери не могли повысить нагревание ее и ротора сверх допустимых пределов. При отсутствии успокоительной обмотки возникает периодически изменяющийся момент из-за взаимодействия непостоянного обратного поля и токов статора, что может привести к заметным вибрациям машины.

4-5. Однофазный синхронный генератор

Однофазные синхронные машины по сравнению с трехфазными имеют ряд недостатков. К основным из них нужно отнести большие размеры и большую стоимость при одной и той же мощности. Поэтому на практике однофазные синхронные машины применяются крайне редко. В настоящее время во многих случаях, когда необходим однофазный ток, его берут от трехфазных линий.

По устройству однофазные машины отличаются от трехфазных лишь выполнением обмотки статора. В однофазных машинах обмотка занимает обычно не свыше 80% окружности статора, так как полное использование окружности статора при большей затрате меди и изоляционных материалов дает только небольшое увеличение напряжения на зажимах машины.

Действительно, если рассмотреть, например, образование однофазной обмотки из трехфазной, то при использовании 2/3 окружности (рис. 4-47,а) получим э.д.с., равную; при использовании же всей окружности (рис. 4-47,6 и в) получим э.д.с., равную 2Е, т. е. при затрате меди и изоляционных материалов на 50% больше, чем в первом случае, увеличение э.д.с. составит лишь около 15,6%.

Рис 4-47. Образование однофазной обмотки из трехфазной.

Выясним вначале, какую мощность может давать трехфазная машина, используемая в качестве однофазной (по рис. 4-47,а), если она будет работать с тем же магнитным потоком в воздушном зазоре и с тем же током в обмотке статора, что и при работе в качестве трехфазной. Последнее условие в отношении тока можно принять для высоковольтных машин, где из-за сравнительно толстого слоя изоляции затруднена передача тепла от меди к стенкам пазов или в воздух.

В этом случае мощность однофазной машины будет равна , а мощность трехфазной машины 3EI. Следовательно, мощность однофазной машины будет составлять толькоот мощности трехфазной машины.

Если допустить при работе однофазной машины те же потери в обмотке статора, что и при работе трехфазной машины, полагая, что тепло от меди хорошо передается через изоляцию стальным листам статора, то ток однофазной машины I1может быть взят, очевидно, большим, чем ток трехфазной машиныI3. Но и при этих условиях мощность однофазной машины получается меньше мощности трехфазной машины. Действительно, так как было принято, что

, то ;

следовательно, мощность однофазной машины составляет:

от мощности трехфазной машины.

Учитывая также потери в роторе, вызванные обратно вращающимся полем, мощность однофазного генератора при тех же размерах, что и для трехфазного, приходится брать не выше примерно 60% от мощности последнего.

Работа однофазного генератора, имеющего обмотку на статоре, расположенную на 2/3 его окружности, может быть исследована при помощи метода симметричных составляющих, так как его работу можно рассматривать как частный случай работы трехфазного генератора при несимметричной нагрузке, когда она присоединена только к двум зажимам.

Следует иметь в виду, что в однофазном генераторе обратная н.с. имеет большое значение, так как здесь токи обратной последовательности равны токам прямой последовательности. Поэтому, чтобы ослабить ее вредное действие, необходимо ротор машины снабдить достаточно мощной успокоительной обмоткой, выполненной из стержней большого сечения; только в этом случае можно получить удовлетворительные условия для работы однофазной машины.

 4-6. Несимметричные короткие замыкания

При исследовании несимметричных коротких замыканий мы будем пользоваться методом симметричных составляющих. На основе этого метода можно составить уравнения напряжений и токов, которые позволят определить установившиеся токи при несимметричных коротких замыканиях, если известны э.д.с. E0и параметры машиных1,х2,х0, причем сопротивлениеx1=xd=xad+xσ.

При определении токов короткого замыкания на зажимах машины может быть использовано ненасыщенное значение xdи э.д.с.E0по спрямленной характеристике холостого хода. Кроме того, почти всегда в практических случаях можно пренебрегать активными сопротивлениямиr1,r2,r0. Для общности в уравнениях будем брать полные сопротивления:Z1=r1+jx1; ; .

а) Двухфазное короткое замыкание.

 Двухфазное короткое замыкание, называемое также двухполюсным, на практике наблюдается наиболее часто. Схема для этого случая приведена на рис. 4-48.

Рис. 4-48. Двухфазное короткое замыкание,

Токи в фазах обмотки статора будут:

.          (4-38)

Линейное напряжение

,

откуда

.          (4-39)

Так как ток в фазе аIа= 0, то из (4-38) получим:

.          (4-40)

Ток , поэтому

,

а отсюда

.          (4-41)

Так как можно принять, что э.д.с. холостого хода образуют симметричную звезду векторов, то уравнения напряжений, например для фазы а, напишутся в следующем виде [ср. с (4-37)]:

(4-42)

Для остальных фаз уравнения напряжений напишутся аналогично.

Так как , то из (4-42) следует, чтоUа0= 0. Имея в виду равенство (4-39), получим уравнения для симметричных составляющих напряжения фазыа:

;

.

Отсюда

.          (4-43)

Поэтому, учитывая (4-42), можем написать:

или с учетом (4-41)

.          (4-44)

Согласно рис. 4-48. Вместоможем написать:

или с учетом (4-41)

.

Подставляя в полученное равенство из (4-44), получим:

.          (4-45)

 б) Однофазное короткое замыкание.

 Однофазное короткое замыкание называют также условно однополюсным. Оно может получиться только при наличии нулевого провода. Схема для этого случая показана на рис. 4-49.

Рис. 4-49. Однофазное короткое замыкание.

Токи в фазах обмотки статора будут:

Для данного вида короткого замыкания имеем

.          (4-46)

Так как , то, используя уравнения (4-42), получим:

,

а отсюда с учетом (4-46)

.          (4-47)

 в) Двухфазное короткое замыкание на нейтраль.

 Схема для данного вида короткого замыкания представлена на рис. 4-50.

Рис. 4-50. Двухфазное короткое замыкание на нейтраль.

Так как в данном случае , то согласно уравнениям для симметричных составляющих напряжений получим:

.          (4-48)

Ток нулевой последовательности равен одной трети тока нулевого провода:

.          (4-49)

Согласно (4-42)

.

Отсюда, учитывая (4-48) и (4-49), получим:

(4-50)

или, если пренебречь активным сопротивлением r0,

.          (4-51)

Следовательно, измеряя напряжение свободной фазы Uаи ток нулевого проводаIк20, мы можем приближенно определить по (4-51) индуктивное сопротивление нулевой последовательностиx0.

Ток Iк20при известныхЕ0аи параметрахZ1,Z2,Z0определяется следующим образом:

Согласно (4-42)

.          (4-52)

Так как ,

то

.          (4-53)

Согласно (4-50) и (4-49)

.          (4-54)

Так как согласно (4-48), то из (4-42) получим, а отсюда

;(4-55)

следовательно, вместо (4-53) можем написать:

.          (4-56)

Рис. 4-51. Двухфазное короткое замыкание. 

Учитывая (4-53)(4-56), уравнение (4-52) напишем в следующем виде:

Отсюда с учетом (4-49)

.          (4-57)

 г) Двухфазное короткое замыкание при соединении обмотки статора треугольником.

 Такое соединение показано на рис. 4-51. В этом случае получаем следующие уравнения для линейных и фазных токов:

; ;

; ;

; .

Найдем симметричные составляющие тока :

;

.

Следовательно,

.          (4-58)

Так как и, то, сложив уравнения (4-42) и учтя (4-58), получим:

.          (4-59)

Точно такое же уравнение можно было бы получить, заменив треугольник эквивалентной звездой.

 д) Параметры Z2 и Z0 и их определение опытным путем.

 Как указывалось ранее, сопротивление обратной последовательности Z2=r2+jx2есть сопротивление синхронной машины, вращающейся с синхронной частотой, для токов обратной последовательности, т. е. для токов, создающих в машине обратно-синхронное поле.

Если машину с замкнутой обмоткой возбуждения вращать посторонним двигателем с синхронной частотой и подвести к ее статору трехфазное симметричное напряжение таким образом, чтобы вызванные им токи создавали обратно-синхронное поле, то, измеряя мощность Р, напряжениеUи токI, найдем:

.

Обратное поле создается результирующей н.с. статора и ротора. При этом н.с. статора создается токами обратной последовательности, а н.с. ротора — токами, наведенными в контурах ротора обратным полем (вихревые токи в стали ротора, токи успокоительной обмотки и обмотки возбуждения).

Часть индукционных линий обратного поля сцепляется только с обмоткой статора и аналогична полю рассеяния от токов прямой последовательности. Магнитный поток в воздушном зазоре, создаваемый обратной результирующей н.с., будет зависеть от заглушающего действия токов в контурах ротора. Он будет тем меньше, чем меньше полные сопротивления контуров ротора.

Активное сопротивление обратной последовательности r2больше активного сопротивления обмотки статораrа, так какr2учитывает не только электрические потери в обмотке статора и потери от полей рассеяния, но и потери от токов в цепях ротора, наведенных обратным полем.

Сопротивления нулевой последовательности Z0=r0+jx0, как указывалось ранее, есть сопротивление синхронной машины для токов нулевой последовательности, которые, например, могут быть созданы в обмотке ее статора, если к ней .подвести однофазное напряжение, как показано нарис. 4-52.

Рис. 4-52. Схема для опытного определения сопротивления нулевой последовательности.

Измеряя при этом мощность Р, токIи напряжениеU, найдем:

.

При опыте лучше вращать машину посторонним двигателем с номинальной частотой, замкнув обмотку возбуждения накоротко. Мы будем иметь при этом условия образования поля внутри статора, вызванного гармониками н.с. статора с номером, кратным трем, такие же, как при работе машины.

Если пренебречь указанными гармониками н.с. фаз, то результирующая н.с. трехфазной обмотки будет равна нулю. Следовательно, в этом случае токи нулевой последовательности не создают поля внутри статора. Они будут создавать только поля рассеяния. Последние отличаются от полей рассеяния, создаваемых токами прямой или обратной последовательности, что вытекает из следующих рассуждений.

Обратимся сначала к диаметральной обмотке. Здесь поле рассеяния в пазах будет создаваться только током рассматриваемой фазы; поле же в лобовых частях будет создаваться как током данной фазы, так и токами соседних фаз. Поэтому потокосцепления самоиндукции и взаимоиндукции будут различным образом сдвинуты по фазе в зависимости от того, какие токи протекают в обмотке статора — нулевой или прямой последовательности. Для двухслойной диаметральной обмотки можно считать, что потокосцепление рассеяния ее пазовых частей при токах нулевой последовательности будет такое же, как и при токе прямой последовательности. Потокосцепление лобовых частей этой обмотки в первом случае будет меньше, чем во втором случае поэтому здесь х0будет несколько меньше, чемxσ.

Если обратиться к двухслойной обмотке с укороченным шагом, то здесь потокосцепление ее пазовых частей при токах нулевой- последовательности может быть значительно меньше, чем при токах прямой последовательности. Например, для обмотки с шагом потокосцепление ее пазовых частей будет равно почти нулю, так как в этом случае токи нулевой последовательности в верхних и нижних слоях обмотки будут иметь противоположные направления, для такой обмоткиx0значительно меньшехσ. Значениеx0в большой степени зависит от укорочения шага обмотки и для выполненных машин колеблется в довольно широких пределахх0(0,10,9)хσ.

Активное сопротивление нулевой последовательности r0мало отличается от активного сопротивления прямой последовательностиr1=rа; обычно оно несколько меньшеr1.

 Опытное определение Z2иZ0может быть проведено и другими способами, отличными от описанных ранее. Необходимо иметь в виду, что подZ2иZ0обычно понимаются сопротивления при частоте 50 Гц. Следовательно, в большинстве случаев их нужно находить как частное от деления основной гармоники напряжения на основную гармонику тока. Способы опытного определенияZ2иZ0основаны на использовании данных опытов, при которых в обмотке статора имеют место токи обратной или нулевой последовательности или токи обеих последовательностей. Так как в этих случаях поле, вызванное указанными токами внутри статора, будет изменяться вследствие периодического изменения магнитной проводимости, то в кривых тока и напряжения появляются высшие гармоники. В машинах без успокоительной обмотки они достигают заметной величины. Поэтому для таких машин их следует учитывать при необходимости более точного определенияZ2иZ0. Для машин с успокоительной обмоткой влиянием высших гармоник можно пренебречь.

Мы можем принять для нормальных синхронных машин x2z2их0z0. Тогда уравнения для установившихся токов при различных случаях короткого замыкания [см (4-45), (4-47), (4-57)] получают следующий вид:

;          (4-60)

;          (4-61)

;          (4-62)

.          (4-63)

Задаваясь значениями тока возбуждения Iви определяя по спрямленной характеристике холостого хода соответствующие им значения э.д.с.E0, по приведенным уравнениям, если известны параметрых1,х2иx0, найдем токи короткого замыкания. Таким образом, могут быть построены характеристики короткого замыкания. Эти же характеристики можно снять опытным путем.

На рис 4-53представлены характеристика холостого хода (Е0) и характеристики короткого замыкания: однофазного (Iк1), двухфазного на нейтраль (Iк20), двухфазного (Iк2) и трехфазного (Iк3).

Рис. 4-53. Характеристики короткого замыкания и холостого хода.

Если эти характеристики сняты опытным путем, то, определяя из них токи и по спрямленной характеристике холостого хода э.д.с. Е0для одного и того же тока возбуждения, можно при помощи уравнений (4-60)(4-63) найти сопротивления всех последовательностей.

Например, определяя по характеристикам трехфазного и двухфазного коротких замыканий токи Iк3иIк2, а по спрямленной характеристике холостого хода э.д.с.Е0, из уравнений (4-60) и (4-61) найдем:

.          (4-64)

Определяя по характеристикам однофазного и двухфазного коротких замыканий токи Iк2иIк1и по спрямленной характеристике холостого хода э.д.с.Е0из уравнений (4-61) и (4-62) найдем:

.          (4-65)

Указанные способы определения х2их0требуют особенно тщательного снятия характеристик короткого замыкания, так как сравнительно небольшая неточность в определении токовIк1,Iк2,Iк3может дать большую ошибку при определении сопротивленийx2их0поскольку они определяются как разность двух близких между собой величин.

Кроме указанных способов, для определения х2иx0можно также использовать данные, получаемые из опыта несимметричной нагрузки трехфазного генератора. Ранее в§ 4-4,гбыло показано, что при несимметричной нагрузке симметрия линейных напряжений нарушается вследствие возникновения в них составляющих обратной последовательности, а симметрия фазных напряжений — вследствие возникновения в них составляющих обратной и нулевой последовательностей. Следовательно, если измерить при несимметричной нагрузке токи и напряжения, то, выделив из них симметричные составляющиеI2,U2иI0,U0, можно найти:

.

При опытах с несимметричными короткими замыканиями, так же как и при опыте с несимметричной нагрузкой, необходимо считаться с увеличением потерь в роторе, вызванных обратно вращающимся полем, и поэтому опыты следует проводить быстро и при небольших токах.

4-7. Параллельная работа генераторов

Обычно на электрических станциях устанавливается несколько синхронных генераторов, предназначенных для параллельной работы, что в большой степени повышает надежность работы станций в отношении бесперебойности энергоснабжения потребителей. В этом случае возможно в зависимости от потребной мощности включать на совместную работу такое количество генераторов, чтобы каждый из них отдавал номинальную мощность или близкую к ней. Тогда не только генераторы, но и их первичные двигатели будут работать с высоким к.п.д., так как те и другие рассчитываются и выполняются таким образом, чтобы значения их к.п.д. были наибольшими при номинальной нагрузке. Кроме того, и электрические станции часто объединяются для параллельной работы в одну мощную систему, позволяющую наилучшим образом как с технической, так и экономической точки зрения разрешать задачу производства и распределения электрической энергии. Поэтому вопросы, относящиеся к параллельной работе синхронных машин, имеют большое практическое значение.

При изучении этих вопросов приходится иметь дело с теми свойствами синхронных машин, которые характерны только для них и выделяют их среди других машин переменного тока.

Вначале рассмотрим применительно к синхронным генераторам общие вопросы параллельной работы синхронных машин, одинаково относящиеся к генераторному и двигательному их режимам. 

4-7.1. Синхронизация и включение на параллельную работу

При включении на параллельную работу синхронных машин, как и в случае трансформаторов, необходимо выполнить определенные условия.

Рассмотрим сначала включение на параллельную работу однофазной машины. На рис. 4-54изображены генератор, который присоединен к общим шинам, и генератор, который нужно включить на параллельную работу с первым.

Рис. 4-54. Включение на параллельную работу однофазного генератора.

Перед включением необходимо добиться равенства напряжений на зажимах генератора и сети, к которой генератор приключается. Так как при параллельной работе наведенная э.д.с. должна в каждый момент времени уравновесить напряжение сети, то необходимо иметь одинаковые формы кривых э.д.с. генераторов. Этому требованию современные синхронные машины удовлетворяют: они имеют стандартную, практически синусоидальную форму кривой э.д.с. Поэтому достаточно добиться при включении равенства действующих значений напряжений, а также равенства частот и фаз. Это достигается посредством изменения тока в обмотке возбуждения приключаемого генератора и путем регулирования частоты его вращения.

Определение момента времени, когда можно замкнуть рубильник, т. е. когда напряжение между точками аа' иbb' (рис. 4-54) равны нулю, производится при помощи фазовых или фазоиндикаторных ламп.

Один из способов включения таких ламп показан на рис. 4-54. До включения рубильника они будут то гаснуть, то загораться. Промежутки времени между следующими одна за другой вспышками ламп будут тем больше, чем меньше отличается частота приключаемой машины от частоты сети.

Изобразим вектором напряжение сети и векторомнапряжение приключаемого генератора (рис. 4-55).

Рис. 4-55. Векторы напряжений: сети и генератора.

В момент, когда лампы погаснут, оба вектора расположатся, как показано на рис. 4-55(представленная диаграмма получается при обходе контура, состоящего из обмотки якоря первой машины, общих шин и обмотки якоря второй машины:B1A1A2B2B1(рис. 4-54)). Напряжение, приложенное в этот момент к лампам, равно нулю. Если бы частоты напряжений были одинаковы или, что одно и то же, были одинаковы угловые скорости вращения векторов, то лампы не горели бы — в любой момент времени напряжение сети уравновешивалось бы напряжением генератора. Но практически не удается до включения рубильника установить на длительное время равенство частот напряжении. Поэтому векторы напряженийибудут перемещаться один относительно другого со скоростьюс-г, и соответственно этой относительной скорости будет изменяться напряжение на лампах.

 Если представить кривой uс=f(t) изменение напряжения сети и кривойuг=f(t) изменение напряжения приключаемого генератора, то, сложив ординаты обеих кривых, получим кривую изменения напряжения на лампах (жирнее начерченная кривая нарис. 4-56,а).

Рис. 4-56. Изменение напряжения на лампах при различии частот напряжений сети и генератора.

Рисунок 4-56,апоказывает, что напряжения сети и генератора в результате неравенства частот то уравновешивают друг друга, то складываются. Нарис. 4-56,ботдельно представлена кривая результирующего напряжения. Здесь промежутки времени отдосоответствуют потуханию ламп (накал нити ламп перестает быть видимым уже при 30—50% от их номинального значения), а промежутки времени отдо— горению ламп. Момент, обозначенный нарис. 4-56,бчерезГ, соответствует наибольшему накалу ламп. Рубильник, очевидно, нужно включить в момент, обозначенный нарис. 4-56,бчерезП.

Добиваются, чтобы промежутки времени между следующими одна за другой вспышками ламп были достаточно велики (3—5 с и больше), для чего регулируют скорость вращения приключаемого генератора. Затем, пропустив несколько раз возможные моменты включения, чтобы глаз привык определять середину промежутка потухания, включают рубильник в момент полного потухания ламп.

Показанный на рис. 4-54способ включения ламп называется «включением на потухание».

После того как включен рубильник, скорость вращения генератора по причинам, о которых будет сказано в дальнейшем, держится уже строго постоянной и соответствует частоте сети.

Те же условия, которые были указаны в отношении однофазных генераторов, должны быть выполнены и при включении на параллельную работу трехфазных генераторов.  

Рис. 4-57. Включение на параллельную работу трехфазного генератора (включение ламп на потухание).

Обратимся к рис. 4-57. В момент включения напряжения между точкамиа,bисс' должны быть равны нулю. Для этого необходимо, кроме выполнения условий, о которых говорилось ранее (равенство частот и равенство напряжений), выполнение ещё одного условия, а именно, необходимо ещё иметь соответствие порядков чередования фаз приключаемого генератора и сети.

На рис. 4-57представлено включение ламп на потухание. При таком включении лампы будут одновременно гаснуть и одновременно загораться, если порядки чередования фаз сети и генератора совпадают.

 Изобразим напряжения сети в виде звезды векторов I,II,III, а напряжения подключаемого генератора — в виде звезды векторов 1, 2, 3 (рис. 4-58).

Рис. 4-58. Напряжения на лампах при их включении на потухание и при совпадении порядков чередования фаз сети и генератора.

Обе звезды вращаются относительно неподвижной оси времени с различными частотами ωси ωгсоответственно частоте сети и частоте генератора; следовательно, одна звезда относительно другой вращается с частотой ωс- ωг. Нарис. 4-58показано сложение напряжений сети и подключаемого.генератора для четырех различных моментов времени. На этом рисунке видим, что все три напряжения на лампах изменяются одновременно.Рисунок 4-58,гсоответствует моменту времени, когда напряжения сети уравновешивают напряжения генератора. В этот момент лампы гореть не будут и, если разность ωс- ωгневелика, можно включить рубильник.

Обратимся к другому способу включения ламп (рис. 4-59), называемому включением на «бегающий» или «вращающийся» свет.

Рис. 4-59. Синхронизация при включении ламп на бегающий свет.

Здесь лампы будут попеременно загораться и потухать. Если лампы разместить так, как показано на рис. 4-59, то создается впечатление бегающего по вершинам треугольника света. В зависимости от того, какая частота больше — генератора или сети, свет ламп будет вращаться в ту или другую сторону. Сказанное можно уяснить при помощи диаграмм, приведенных нарис. 4-60.

Рис. 4-60. Напряжение на лампах при их включении на бегающий свет и при совпадении порядков чередования фаз сети и генератора.

Эти диаграммы показывают, что лампы загораются и потухают попеременно и что направление вращения света зависит от знака разности ωс- ωг.Рис. 4-60,гсоответствует моменту времени, когда можно включить рубильник, так как в этом случае напряжения сети уравновешиваются напряжениями генератора. Следовательно, включение рубильника должно быть произведено, когда одна лампа (междуI1) потухнет, а две другие лампы (междуII3иIII2) будут гореть с одинаковым накалом.

 

Если при включении ламп на потухание (рис. 4-57) они дадут бегающий свет, то это указывает на несовпадение порядков чередования фаз сети и генератора. Для того чтобы получить это совпадение, нужно поменять местами два провода, присоединенных к зажимам генератора или сети, или изменить направление вращения приключаемого генератора. После этого лампы дадут обязательно одновременное загорание и потухание.

Очевидно, что при включении ламп на бегающий свет (рис. 4-59) они дадут одновременное загорание и потухание, если порядки чередования фаз сети и генератора не совпадают друг с другом. В этом случае также нужно изменить порядок чередования фаз сети или генератора путем переключения двух фаз.

Указанные устройства с лампами называются ламповыми синхроноскопами. На электрических станциях применяются также синхроноскопы со стрелкой в виде щитовых приборов. Для более точного определения момента включения целесообразно применить так называемый нулевой вольтметр, который приключается параллельно к лампе между Iи1(рис. 4-57и4-59).

Шкала такого вольтметра рассчитывается на напряжение, не меньшее двойного фазного (см., например, рис. 4-60,а), и имеет очень сильно расширенную начальную часть. На его шкале достаточно отметить только одно нулевое значение. Стрелка вольтметра будет медленно колебаться соответственно потуханию и загоранию ламп и покажет нуль, когда напряжение между точкамиIи1будет равно нулю.

На станциях Советского Союза в последние годы находят себе применение способы автоматической синхронизации при включении генератора на параллельную работу с сетью. Кроме того, применяется включение по методу самосинхронизации. При таком включении частота вращения невозбужденного генератора доводится до синхронной или возможно близкой к ней в направлении вращения поля, возникающего после включения. Затем генератор подключается к сети при быстром вслед за этим включении тока в обмотку возбуждения, после чего он сам втягивается в синхронизм под действием синхронизирующего момента, о котором сказано в последующем. Возникающие при этом токи во многих случаях ни для машин, ни для сетей не представляют опасности.

Включение синхронных машин на параллельную работу по методу самосинхронизации, подробно разработанному в Советском Союзе, в настоящее время успешно применяется на многих электрических станциях.

 4-7.2. Параллельная работа генератора с сетью бесконечно большой мощности

Будем считать, что машина подключена к сети очень большой мощности (теоретически бесконечно большой) и что все изменения, которые происходят в машине, не влияют на сеть: вектор напряжения сети все время остается постоянным и вращается относительно неподвижной оси времени с одной и той же равномерной угловой частотой ωс= 2πf. Такое допущение облегчает рассуждения и делает более ясными выводы.

Вопросы, относящиеся к параллельной работе синхронных машин, важно выяснить прежде всего с их качественной стороны.

Ранее указывалось, что до включения синхронной машины на параллельную работу практически невозможно добиться, чтобы частота ее напряжения была длительно равна частоте напряжения сети; после же включения машина будет работать строго в такт, синхронно с другими машинами, питающими сеть. В этом заключается характерное свойство синхронной машины, которое и дало повод к ее названию.

Рассмотрим причины, которые заставляют синхронную машину работать синхронно с другими такими же машинами при их параллельном включении.

Представим себе, что машина, после того как она приключена к сети, работает вначале вхолостую, т. е. не отдает и не потребляет никакой активной мощности. Если наведенная э.д.с. машины точно равна и обратно направлена напряжению сети, то в обмотке статора не будет никакого тока (рис. 4-61).

Рис. 4-61. Векторы напряжения сети и э.д.с.при отсутствии тока в обмотке статора.

Если теперь машина по какой-нибудь причине начнет вращаться быстрее, например вследствие случайного увеличения момента первичного двигателя, то вектор несколько сдвинется в сторону вращения векторов (рис. 4-62,а). Сдвиг фаз междуив этом случае уже не будет равен 180°. В цепи, состоящей из обмоток приключенной машины и машин, уже работавших, будет действовать результирующая э.д.с.. Она создает в этой цепи ток. Мы можем считать, что токзависит от синхронного сопротивленияхстолько рассматриваемой машины, так как сопротивлением всех других машин при очень большой их мощности можно пренебречь (мы здесь имеем в виду ненасыщенную неявнополюсную машину, для которой, как отмечалось, можно принять:xc=xd=xq):

(4-66)

Рис. 4-62. Векторная диаграмма синхронной машины. а— соответствующая увеличению вращающего момента первичного двигателя,б — соответствующая уменьшению вращающего момента первичного двигателя.

Ток будет практически отставать отна 90°, так как активное сопротивление цепи имеет ничтожное значение. Машина будет работать генератором и отдавать энергию в сеть, так какE0Icos> 0. Токи статора, взаимодействуя с магнитным полем машины, создают электромагнитный момент, направленный против вращения, т. е. тормозящий момент, противодействующий стремлению машины вращаться быстрее.

Если машина начнет вращаться медленнее, то возникают токи (рис. 4-62,б), создающие при взаимодействии с полем электромагнитный момент, направленный в сторону вращения. Машина начнет работать двигателем, потребляя мощность из сети

E0Icos< 0.

Следовательно, при всяком случайном отклонении от синхронного вращения сейчас же возникают в обмотке статора токи, которые восстанавливают синхронизм.