27. Качания синхронных машин

Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент M₁ =M_вн1, соответствующий углу Θ₁ (рис. 6.59, а и б). Если резко увеличить внешний момент до величины M_вн2, то нагрузочный угол будет увеличиваться до величины Θ₂, соответствующей новому значению электромагнитного момента M₂ =M_вн2. Однако из-за инерции ротора нагрузочный угол, увеличиваясь, достигает значения Θ₃ > Θ₂, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до величины Θ₄ < Θ₂. В результате возникают колебания нагрузочного угла вокруг установившегося значения Θ₂, которые сопровождаются колебаниями частоты вращения ротора, называемые качаниями. Если при качаниях угол Θ превысит критическое значение, то машина выпадет из синхронизма.

Собственные колебания синхронной машины называются свободными колебаниями. Частота собственных колебаний синхронных машин невелика (0,5- 2,0 Гц), что объясняется большим моментом инерции ротора. Период свободных колебаний ротора относительно синхронно вращающегося поля при параллельной работе с сетью:

где J - момент инерции вращающихся частей;

ω - угловая скорость вращения ротора;

р_с=dР_ЭМ/d - удельная синхронизирующая мощность;

р – число пар полюсов машины.

При качаниях с изменением угла Θ изменяется мощность машины и ток якоря. На наличие колебаний указывают колебания стрелок амперметра и вольтметра, включенных в цепь якоря. Собственные колебания часто наблюдаются у машин, работающих параллельно с сетью, при холостом ходе.

Для уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания на роторе располагается короткозамкнутая демпферная (успокоительная) обмотка. При качаниях в демпферной обмотке при изменении частоты вращения ротора индуцируется ЭДС, по ней проходит ток и возникает асинхронный демпфирующий момент:

где D=m_a/ω – коэффициент демпфирования;

.

Действие демпферной обмотки подобно действию механического демпфера, потери на трение в котором успокаивают колебания механизма (например, сельсина). При отсутствии демпфирования процесс колебания совершается без потерь энергии, свободные колебания становятся незатухающими, а в некоторых случаях могут даже увеличивать свою амплитуду, т. е. происходит самораскачивание синхронной машины. Из-за явления самораскачивания во многих случаях оказывается невозможной параллельная работа с сетью малонагруженных генераторов малой мощности (до10-20 кВт) без демпферной обмотки.

Колебания ротора синхронной машины могут быть вынужденными, если на него действует периодически изменяющийся внешний момент. Они возникают в синхронных генераторах, приводимых во вращение от поршневых машин, и в синхронных двигателях, служащих для привода поршневых компрессоров. Если частота вынужденных колебаний близка к частоте свободных колебаний, то возникают резонансные явления, при которых колебания угла Θ достигает больших значений и машина выпадает из синхронизма. Поэтому для уменьшения неравномерности вращающего момента на валу устанавливают маховик.