82 Схемы замещения элементов электрических сетей

Электрические сети состоят из множества элементов, электрически соединенных между собой. Это генераторы электростанций, повышающие и понижающие трансформаторы, ЛЭП, компенсирующие устройства (конденсаторы, реакторы и т. д.).

В задачах, решаемых при проектировании и эксплуатации электрических сетей, требуется анализировать их режимы работы на основе математических моделей, которыми являются схемы замещения или расчетные схемы.

Схемы замещения электрических сетей состоят из схем замещения их элементов. Следует различать классические схемы замещения сетей, используемые для анализа небольших схем, где выделяются все элементы, и расчетные схемы, предназначенные для расчетов на ЭВМ, в которых указываются параметры элементов электрической сети без указания вида схем замещения, так как в современных программах расчета на ЭВМ уже заложены соответствующие модели.

Для схем замещения простых электрических сетей говорят о П-образной схеме замещения ЛЭП и Г-образной схеме замещения трансформатора.

П-образная схема замещения трехфазной ЛЭП состоит из трех продольных ветвей с сосредоточенными сопротивлениями R и X фаз линии и поперечных ветвей, содержащих емкостные связи между фазами и нейтралью N. Нейтраль всегда имеется в моделях электрических сетей, даже если в сети физически не существует такой точки. Емкостные связи в схеме замещения ЛЭП разделены пополам и сосредоточены по концам схемы (рис. 3.1). Потери на корону учитываются отбором мощности (для ВЛ напряжением выше 220 кВ).

Поскольку в симметричной схеме параметры фаз одинаковые, удобно пользоваться так называемым однолинейным представлением схем замещения с изображением только одной фазы (рис. 3.2). Более того, в схеме замещения сети, чтобы не загромождать рисунок лишними линиями, нейтраль трехфазной сети не изображается и емкости как будто остаются в подвешенном виде или отмечается их присоединение к гипотетической нейтральной плоскости сети буквой N. Однако это правомерно только для симметричной схемы замещения сети и симметричной нагрузки.

Для ВЛ низкого напряжения и КЛ схема замещения упрощается за счет исключения емкостной проводимости и/или одного из сопротивлений RЛ, XЛ.

О схемах замещения трансформаторов см. разд. 2.

 

Рис. 3.1. П-образная схема замещения трехфазной ЛЭП

 

Схемы замещения компенсирующих устройств типа батарей конденсаторов (БК) и реакторов очень просты, так как в них малы потери на нагрев и они моделируются только емкостью или индуктивностью соответственно.

Важно отметить, что элементы типа R, X, G и В (сопротивления и проводимости) в схемах замещения даются для одной фазы, так как схемы, если это не оговаривается специально, считаются симметричными. Однако элементы типа отбора мощности (потери холостого хода и на корону) даются для всех трех фаз.

Рис. 3.2. Однолинейная П-образная  схема замещения трехфазной ЛЭП

 

Нагрузки, заданные в виде сопротивлений или проводимостей, также задаются для одной фазы, но как отбор мощности – для трех фаз.

3.2. Пример составления схемы замещения

электрической сети

В качестве исходной схемы дается принципиальная схема сети (рис. 3.3).

 

Рис. 3.3. Принципиальная схема сети

 

Полная схема замещения включает в себя все элементы сети: каждую цепь линии, каждый трансформатор и т. п. (рис. 3.4). Эквивалентная схема замещения более простая, чем полная схема: в ней преобразованы в одну параллельные ветви (как продольные, так и поперечные) и там, где это возможно, объединены в одну последовательные ветви (рис. 3.5). При параллельном сложении схем замещения трехобмоточных трансформаторов (в виде двух трехлучевых звезд) предполагается, что потенциалы точек 0 и 0' одинаковы и эти точки можно совместить.

 

 

Рис. 3.4. Полная схема замещения сети (сопротивления в омах, проводимости в микросименсах, мощности  в мегавольт-амперах, коэффици         енты трансформации в относительных единицах – курсив)

 

 

Рис.3.5. Эквивалентная схема замещения сети (сопротивления в омах, проводимости в микросименсах, мощности в мегавольт-амперах, коэффициенты трансформации в относительных единицах –                                                   курсив)

Схема замещения БК мощностью 8 Мвар представлена в виде емкости со значением емкостной проводимости в микросименсах.

3.3. Расчетная схема замещения для примера

Расчетные схемы содержат те же данные, что и схемы замещения, но для удобства подготовки и чтения схем в них не прорисовываются отдельные элементы, а все ветви представляются сплошными линиями с указанием элементов трансформации, а для поперечных ветвей изображается вид элемента (рис. 3.6).

 

 

Рис. 3.6. Расчетная схема сети (сопротивления в омах, проводимости в микросименсах, мощности в мегавольт-амперах, коэффициенты трансформации в относительных единицах – курсив)

 

В отличие от схемы замещения в расчетной схеме емкостная проводимость ЛЭП дается в целом для линии, а веточки холостого хода трансформаторов и отборы активной мощности на корону в ЛЭП присоединяются к прилегающим узлам как мощности нагрузок.

Схемы замещения трехфазных генераторов

  На электрической схеме трехфазный генератор изображают в виде трех обмоток, расположенных друг к другу под углом 1200.

При соединении "звездой" одноименные зажимы (например, концы) трех обмоток объединяются в один узел, который называют нулевой точкой генератора и обозначают буквой 0 (рис. 7.3). Начала обмоток генератора обозначают буквами А, В, С.

 При соединении обмоток генератора "треугольником" конец первой обмотки генератора соединяется с началом второй, конец второй - с началом третьей, конец третьей - с началом первой (рис.7.4).

 Геометрическая сумма э.д.с. в треугольнике равна нулю. Поэтому, если в зажимам А, В, С не присоединена нагрузка, то по обмоткам генератора не будет протекать ток.

 Совокупность трехфазной системы ЭДС и трехфазной нагрузки (или нагрузок и соединительных проводов) называют трехфазной цепью.

 Токи, протекающие по отдельным участкам трехфазной цепи, сдвинуты относительно друг друга по фазе. Под фазой трехфазной цепи понимают участок цепи, по которому протекает один и тот же ток. Таким образом, в зависимости от рассматриваемого вопроса, фаза - это либо участок трехфазной цепи, либо аргумент синусоидально изменяющейся величины. Три обмотки генератора должны быть соединены с нагрузкой. Существуют различные способы соединения обмоток. Самым неэкономичным способом было бы соединение каждой обмотки генератора с нагрузкой двумя проводами, на что потребовалось бы шесть соединительных проводов. В целях экономии обмотки трехфазного генератора соединяют в "звезду" или "треугольник", вследствие чего количество соединительных проводов от генератора к нагрузке уменьшается с шести до трех или до четырех.

 Рассмотрим способы соединения трехфазного генератора с трехфазной нагрузкой.

 Схема соединения "звезда" - "звезда" с нулевым проводом представлена на рис. 7.5.

 Узел, который образуют три конца трехфазной нагрузки при соединении ее "звездой", называют нулевой точкой нагрузки и обозначают 0'.

Провод, соединяющий нулевые точки генератора и нагрузки, называют нулевым (нейтральным). Ток нулевого провода обозначают I0, положительное направление тока - от узла 0' к узлу 0. Провода, соединяющие зажимы А, В, С генератора с нагрузкой, называют линейными проводами. Текущие по линейным проводам токи называют линейными, их обозначают IA, IB, IC. Условимся за положительное направление для них принимать направление от генератора к нагрузке. Модули линейных токов часто обозначают IЛ, не указывая никакого дополнительного индекса. Такое обозначение применяется часто тогда, когда линейные токи по модулю одинаковы. Напряжение между линейными проводами называют линейным напряжением и обозначают при помощи двух индексов, например UAB. Модуль линейного напряжения обозначают UЛ.

  Каждую из трех обмоток генератора называют фазой генератора. Каждую из трех нагрузок называют фазой нагрузки. Протекающие по ним токи называют фазовыми токами IФ, а напряжения на них - фазовыми или фазными напряжениями UФ.

 Схему на рис.7.6 называют "звезда - звезда" без нулевого провода; на рис.7.7. - "звезда - треугольник"; на рис. 7.8. - "треугольник - треугольник", на рис. 7.9. - "треугольник - звезда".

Теоремы об источниках тока и напряжения и их применение для расчета цепей. Принцип суперпозиции и его применение для расчета цепей. Расчет цепей методами наложения и эквивалентного генератора. Примеры и особенности расчета цепей данными методами. Расчет цепей методом преобразования треугольника сопротивлений в звезду сопротивлений и наоборот. Потенциальная диаграмма. Способы решения систем алгебраических уравнений.

Переходные и сверхпереходные параметры генераторов

Обратимся к синхронной явнополюсной машине без демпферных (успокоительных) обмоток. При КЗ в статорной цепи возникает переходный процесс, приводящий к изменению токов и напряжений предшествующего режима. Выясним, какими ЭДС и реактивностями можно характеризовать синхронную машину в начальный момент переходного процесса с целью расчета периодической составляющей тока КЗ для .

Постановка задачи обусловлена тем, что синхронная ЭДС ( ), характеризующая машину в установившемся режиме, в момент КЗ скачкообразно изменяется. В силу этого она неизвестна и неприемлема для расчета переходного режима, равным образом как и    и  , связанные с   .

Для решения поставленной задачи обратимся к балансу магнитных потоков в продольной оси ( ) синхронной машины для нормального нагрузочного режима (рис. 4.4, а). В указанной оси взаимодействуют две магнитосвязанные обмотки: обмотка возбуждения и обмотка статора.

В режиме холостого хода ток обмотки возбуждения     создает магнитный поток   , состоящий из потока рассеяния ротора     и полезного потока   :

(4.5)

где:    – реактивность рассеяния обмотки возбуждения;

– индуктивное сопротивление реакции статора по оси   ;

  – полная индуктивность обмотки возбуждения.

Полезный поток     при вращении ротора обуславливает в статоре синхронную ЭДС, которые в системе относительных единиц одинаковы:

В ненасыщенной машине поток    составляет некоторую постоянную долю потока   , которая характеризуется коэффициентом рассеяния обмотки возбуждения

(4.6)

В нагрузочном режиме продольная составляющая тока статора     создает поток реакции статора   , который пронизывает обмотку возбуждения. В соответствии с этим полное потокосцепление обмотки возбуждения в нагрузочном режиме определяется выражением:

(4.7)

Согласно принципа Ленца при внезапном изменении режима магнитосвязанных контуров результирующее потокосцепление обмотки возбуждения  остается неизменным. Физически это означает, что в начальный момент КЗ потоки   и   можно представить как их значения в нормальном режиме ( ) плюс соответствующие им приращения    и  . Однако приращения потоков компенсируют друг друга, т.е.

оставляя неизменным значение   , согласно выражения (4.7).

Для решения ранее сформулированной задачи используем неизменность  . Зная коэффициент рассеяния  , выделим ту часть  , которая связана со статором

(4.8)

Именно это потокосцепление   и обусловленная им ЭДС в обмотке статора   сохраняют в начальный момент переходного процесса свое предшествующее значение.

Придадим выражению (4.8) более наглядный вид:

В окончательной форме поперечная переходная ЭДС   запишется так:

(4.9)

где:

(4.10)

– продольная переходная реактивность; приводиться в паспортных данных машины;

  – реактивность рассеяния статорной обмотки.

Начальное значение     определяется выражением (4.9) по параметрам   и   , с которыми работала машина до нарушения режима.

На рис. 4.4, б приведена векторная диаграмма явнополюсной машины в нагрузочном режиме с отстающим током. Вектор   совпадают с вектором   и по величине меньше его на .

Неизменность   при   определяет ее практическую ценность и позволяет рассчитывать начальное значение периодической слагаемой тока переходного режима. В дальнейшем, при   , изменяется до значения, соответствующего новому установившемуся режиму машины. Величину   нельзя измерить, поэтому ее называют расчетной или условной ЭДС.

Рис. 4.4.

Непосредственно из структуры (4.10) следует, что   соответствует схема замещения машины согласно рис. 4.5, в, которая может быть получена посредством замены магнитосвязанных обмоток эквивалентной электрической схемой. На рис. 4.5, а приведена принципиальная схема машины с магнитной связью между статором и обмоткой возбуждения; в цепь последней введена ЭДС   , отвечающая результирующему потокосцеплению . Электрическая схема замещения машины (рис. 4.5, б) аналогична схеме замещения двухобмоточного трансформатора. После замены ветвей с    и   одной эквивалентной, получаем схему рис. 4.5, в где, как и следовало ожидать, машина представлена своими     и   .

Рис. 4.5. К определению переходной ЭДС и реактивности машины в продольной оси

В поперечной оси СМ расположена только статорная обмотка, поэтому в начальный момент нарушения режима она характеризуется такими же параметрами, что и в установившемся режиме:

(4.11)

Таким образом, при КЗ в статорной цепи за внешней реактивностью     начальное значение периодической слагаемой тока переходного процесса (начальный переходный ток) будет только продольным

Численные значения     в среднем на порядок меньше     и составляют:     для неявнополюсных машин и   – для явнополюсных. Переходная ЭДС   .

На рис. 4.6 отображены закономерности изменения характерных параметров синхронного генератора без автоматического регулирования возбуждения в переходном режиме.

Рис. 4.6. Изменение параметров в продольной оси СМ в переходном режиме

Синхронная ЭДС в нормальном режиме, обусловленная током возбуждения   , равна   (рис.4.6, а). В нагрузочном режиме ток статора создает вращающееся поле, неподвижное относительно ротора. При коротком замыкании в цепи статора в следствии уменьшения внешнего сопротивления ток     (рис.4.6, г) скачкообразно возрастает на величину   , которая индуцирует в обмотке возбуждения апериодический ток   , совпадающий по знаку с основным током возбуждения   . Следствием этого является скачкообразное возрастание синхронной ЭДС на величину  

как показано на рис.4.6, а.

Поскольку причина, вызвавшая ток   (внезапное увеличение периодического тока статора по оси d) снята, этот ток (   ) с течением времени затухает, вызывая постепенное уменьшение   . В новом установившемся режиме ток   равен нулю, а синхронная ЭДС – своему предшествующему значению   .

Составляющая напряжение генератора по оси   в момент нарушения режима претерпевает скачкообразное снижение (рис.4.6, в). Величина скачка тем больше, чем ближе место повреждения к генератору. В пределе, когда на выходе генератора происходит трехфазное КЗ, первоначальное снижение числено равно напряжению в предшествующем режиме, и, следовательно, напряжение в этом случае равно нулю. При средней удаленности КЗ изменение напряжения   в переходном режиме будет таким, как показано на рис.4.6, в.

Как следует из сказанного, синхронная ЭДС и напряжение генератора в момент КЗ скачкообразно изменяются. Величины этих скачков зависят от искомого тока   переходного режима и, поэтому, параметры     и     не могут быть использованы для расчета тока   .

Переходная ЭДС   в начальный момент внезапного нарушения режима остается неизменной и равной своему значению в предшествующем режиме   (рис.4.6, б).

Это, как указывалось ранее, позволяет рассчитать ее значение по параметрам нормального режима и далее использовать для расчета начального значения периодической

становим параметры, которыми характеризуются машины с демпферными обмотками в момент внезапного нарушения режима. Полагаем, что помимо обмотки возбуждения на роторе имеется по одной демпферной обмотке в продольной и поперечной осях. Наличие демпферных обмоток не обеспечивает электромагнитной симметрии машины, что вынуждает определять ее параметры отдельно в продольной и поперечной осях.

Для решения поставленной задачи опираемся на принцип Ленца применительно к магнитосвязанным контурам. Для упрощения выкладок воспользуемся возможностью замены магнитосвязанных обмоток эквивалентной электрической схемой, аналогичной схеме трансформатора.

В продольной оси ( ) располагаются три обмотки: статора, контура возбуждения и продольная демпферная, которые связаны между собой общим взаимным реактансом   . В установившемся рабочем режиме демпферные обмотки себя не проявляют, поскольку не содержат собственных источников ЭДС. По этой причине результирующее потокосцепление обмотки возбуждения будет тем же, что и у машины без демпферных обмоток, т.е.   согласно формуле (4.7). Результирующее потокосцепление продольной демпферной обмотки     определяется векторной суммой полезного потока   и ответной реакции статора   , что в скалярном выражении запишется так:

(4.12)

На рис. 4.7, а приведена принципиальная схема машины с тремя магнитосвязанными контурами. В контур обмотки возбуждения введена ЭДС , отвечающая результирующему потокосцеплению , а в контур продольной демпферной обмотки – , соответствующая потокосцеплению   . Электрическая схема замещения машины (рис. 4.7, б) аналогична схеме замещения трехобмоточного трансформатора. После замены трех ветвей, характеризуемых      и     одной эквивалентной получаем окончательную схему (рис. 4.7, в).

Непосредственно из схемы (рис. 4.7, в) имеем:

(4.13)

где   – сверхпереходная ЭДС в поперечной оси; определяется параметрами нормального режима ( );

(4.14)

– сверхпереходная реактивность в продольной оси (паспортная величина);    – реактанс рассеяния продольной демпферной обмотки.

Рис. 4.7. К определению сверхпереходных параметров СМ в оси d

В поперечной оси ротора взаимодействуют два контура: обмотки статора и поперечной демпферной. Результирующее потокосцепление демпферной обмотки определяется только ответной реакцией статора, т.е.

Схема замещения машины в поперечной оси имеет тот же вид, что и двухобмоточного трансформатора (рис. 4.8, а, б). После упрощения (рис. 4.8, в) она дает   и   , которые определяются выражениями:

(4.15)

(4.16)

где   – сверхпереходная ЭДС в продольной оси; определяется параметрами нормального режима ( );

– сверхпереходная реактивность в поперечной оси (паспортная величина);

Рис. 4.8. К определению сверхпереходных параметров СМ в оси q

ЭДС –  и   сохраняют свои значения неизменными в начальный момент нарушения режима, а в схеме замещения для расчета переходного режима им соответствуют сопротивления   и   . Приставка «сверх» в термине «сверхпереходные» указывает на то, что данные параметры учитывают влияние демпферных контуров.

На рис. 4.9. приведена векторная диаграмма явнополюсной СМ с демпферными обмотками. Показаны ЭДС   ,     и результирующая   .

Рис. 4.9. Векторная диаграмма СМ с демпферными обмотками

При чисто индуктивной цепи статора продольная и поперечная составляющие сверхпереходного тока, соответствующего начальному моменту переходного процесса, определяются выражениями:

и полная величина сверхпереходного тока

Численно     несколько меньше     и составляет:

В практических расчетах сверхпереходных токов считают   , что позволяет отказаться от разложения   и   по осям    и   машины.

86. Статическая устойчивость простейшей электрической системы. Критерии устойчивости.

§ 6.12. Статическая устойчивость

Условия статической устойчивости. Угловая характеристика синхронной машины имеет важное значение для оценки статической устойчивости и степени перегружаемости. Под ста­тической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение (т. е. условие п2 = п1 ) при изменении внешнего вращающего или тормозного момента Мвн , приложенного к ее валу. Статическая устойчивость обеспечивается только при углах θ, соответствующих М < Мmах .

Допустим, что синхронный генератор работает при некотором внешнем моменте Мвн , передаваемом его ротору от первичного двигателя. При этом ось полюсов ротора сдвинута на некоторый угол в относительно оси суммарного потока ΣФ и машина развивает электромагнитный момент М, который можно считать равным Мвн (точки А и С на рис. 6.40, а).Если момент Мвн возрастает, то ротор генератора ускоряется, что приводит к увеличению угла θ до значения θ + Δθ. При работе машины в точке А возрастание угла в вызывает увеличение электромагнитного момента до значения М + ΔM (точка В); в результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, восстанавливается и машина после некоторого колебательного процесса продолжает работать с синхронной частотой вращения.

Аналогичный процесс происходит и при уменьшении Мвн ; при этом соответственно уменьшаются угол θ и момент М, а следовательно, равновесие моментов также восстанавливается. Однако если машина работает при π/2 < θ < π (точка С), то увеличение угла θ вызывает уменьшение электромагнитного момента до значения М - ΔМ (точка D). В результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол в возрастать. Возрастание угла θ может привести к двум результатам: 1) машина переходит в точку устойчивой работы (аналогичную точке А) на последующих положительных полуволнах; 2) ротор по инерции проскакивает устойчивые положения, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Рис. 6.40. Угловые характеристики при различных значениях Е0

Выпадение из синхронизма является аварийным режимом, так как оно сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора E и напряжение сети Uc при указанном режиме могут складываться по контуру «генератор — сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе. Если внешний момент по какой-либо причине снижается, то при работе машины в точке С угол θ уменьшается, электромагнитный момент возрастает, что приводит к дальнейшему уменьшению угла θ и переходу к работе в устойчивой точке А. Из рассмотрения рис. 6.40, а следует, что синхронная машина работает устойчиво, если dM/dθ > 0, и неустойчиво, если dM/dθ < 0; чем меньше угол θ, тем больший запас по устойчивости имеет машина. Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле θ, то малое отклонение Δθ от этого угла сопровождается возникновением момента

(6.38)

ΔМ = (dM/dθ)Δθ,

который стремится восстановить исходный угол θ. Этот момент называют синхронизирующим. Ему соответствует понятие синхронизирующей мощности

(6.39)

ΔPэм = (dPэм /dθ)Δθ.

Производные dM/dθ и dPэм /dθ называют соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью (иногда их называют коэффициентами синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности). При неявнополюсной машине dM/dθ = Mmax cos θ; dPэм /dθ = Pэм max cos θ. Удельный синхронизирующий момент имеет максимальное значение при θ = 0 — с возрастанием θ он уменьшается; при θ = π/2 он равняется нулю, поэтому синхронные машины обычно работают с θ = 20 ÷ 35°, что соответствует двукратному или несколько большему запасу по моменту. Статическая перегружаемостъ синхронной машины оценивается отношением

(6.40)

kп = Mmax /Mном = Рmax /Рном .

Согласно ГОСТу это отношение для мощных генераторов должно быть не менее 1,6—1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности — не менее 1,65.

Влияние тока возбуждения на устойчивость. Устойчивость генератора при заданном значении активной мощности, от-даваемой в сеть, зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения возрастает ЭДС E0, а следовательно, и момент Мmах ; при этом увеличивается устойчивость машины.

На рис. 6.40, б изображены угловые характеристики при различных токах возбуждения (при различных E0), откуда следует, что чем больше ток возбуждения, тем меньше угол в при заданной нагрузке, а следовательно, тем больше отношение Мmах /Мном и перегрузочная способность генератора.

Обычно электрическая сеть, на которую работают синхронные генераторы, является для них активноиндуктивной нагрузкой (генераторы отдают как активную Р, так и реактивную Q мощности). При этом синхронные генераторы должны работать с некоторым перевозбуждением, обеспечивающим повышение перегрузочной способности. Так, например, согласно ГОСТу в синхронных генераторах при номинальном режиме ток Íа должен опережать напряжение сети Úc (т. е. отставать от напряжения Ú и иметь cos φ = 0,8. Однако если сеть создает активно-емкостную нагрузку (например, из-за подключения к ней большого числа статических или вращающихся компенсаторов), то генератор для поддержания стабильного напряжения работает с недовозбуждением, т. е. при токе Ia , опережающем напряжение U. Такой режим неблагоприятен для него, так как с уменьшением тока возбуждения при заданной активной мощности Р возрастает угол θ и снижается перегрузочная способность Мmах /Мном , определяющая устойчивость машины.

Регулирование тока возбуждения. В современных синхронных генераторах широко применяют автоматическое регулирование тока возбуждения для стабилизации напряжения при изменении нагрузки и повышения статической и динамической устойчивости. Для этого генераторы большой мощности снабжают регуляторами сильного действия, которые реагируют не только на отклонение напряжения U от установленного значения, но и на производные во времени dU/dt и dIa/dt; последняя производная определяется изменениями угла нагруз¬ки dθ/dt.

Компаундированные системы возбуждения. В современных синхронных генераторах широко применяют компаундирование, т. е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении тока нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазового компаундирования (рис. 6.41). В этой системе обмотка возбуждения 2 генератора получает питание от обмотки якоря 1 через полупроводниковый выпрямитель 6. Ко входу выпрямителя подключены параллельно вторичные обмотки двух трансформаторов 3 и 5, первичные обмотки которых включены соответственно параллельно и последовательно с обмоткой якоря 1. Последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 3 включен реактор 4.

На рис. 6.42, а приведена упрощенная схема замещения рассматриваемой системы при условии, что внутренние сопротивления трансформаторов 3 и 5 (см. рис. 6.41) и выпрямителя 6 равны нулю. Из нее следует:

(6.41)

Í'в = Íu + Íi ,

(6.42)

Úu = Í'в R'в + jÍu XL ,

где Í'в — ток на входе в выпрямитель 6; Iu и Ii — выходные токи трансформаторов 3 и 5; Uu — выходное напряжение трансформатора 3; XL — индуктивное сопротивление реактора 4; R'в — сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к входу выпрямителя 6.

Из (6.41) и (6.42) имеем

(6.43)

Úu = Í'в R'в + j(I'в - Íi )XL ,

откуда

(6.44)

Í'в = (Úu+ jÍi XL)/(R'в + jXL) = U'в /(R'в + jXL).

Рис.   6.41.    Принципиальная схема системы фазового компаундирования

Рис. 6.42. Схема замещения (в) и векторная диаграмма (б) системы фазового  компаундирования

Так как напряжение Uu пропорционально и совпадает по фазе с напряжением генератора U (рис. 6.42, б), а ток Ii — пропорционален и совпадает по фазе с током якоря генератора Iа, то напряжение на входе выпрямителя U'в , а следовательно, и ток возбуждения Iв автоматически изменяются при изменении напряжения генератора U, его тока нагрузки Iа и угла сдвига фаз φ между ними. Путем подбора коэффициентов трансформации трансформаторов 3 и 5 и индуктивности реактора 4 (его часто выполняют с подмагничиванием) можно обеспечить стабилизацию выходного напряжения генератора при изменении в широких пределах тока нагрузки и угла сдвига фаз между током и напряжением. Практически из-за насыщения магнитной системы и других причин система фазового компаундирования поддерживает напряжение U = const с точностью порядка ± 5 %. В некоторых схемах фазового компаундирования трансформаторы 3 и 5 объединяют в общий трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмоткой, подключенной к выпрямителю 6.

Самовозбуждение синхронного генератора в рассматриваемой системе осуществляется за счет потока остаточного магнетизма (см. более подробно § 8.8). Однако вследствие нелинейного сопротивления выпрямителя (оно увеличивается при малых токах) и других причин индуцируемая этим потоком в обмотке якоря ЭДС может оказаться недостаточной для обеспечения процесса самовозбуждения. В этом случае необходимо применять дополнительные меры для самовозбуждения генератора. К числу этих мер относятся: подключение обмотки возбуждения на период пуска генератора к внешнему источнику постоянного тока небольшой мощности, увеличение потока остаточного магнетизма путем установки на полюсах машины магнитных прокладок или применение резонансного контура.

Для получения резонансного контура на вход выпрямителя можно подключить конденсаторы 7 (см. рис. 6.41), емкость которых подбирают так, чтобы при п < пном возникал режим резонанса напряжений. В этом случае напряжение на конденсаторах 7, т. е. на входе выпрямителя, резко возрастает, благодаря чему обеспечивается процесс самовозбуждения. При п = пном условия резонанса нарушаются и конденсаторы не оказывают влияния на работу схемы.

Для генераторов малой и средней мощности система фазового компаундирования обеспечивает достаточную точность стабилизации напряжения. Однако в генераторах значительной мощности применяют обычно дополнительное регулирование посредством корректора напряжения. Один из вариантов системы компаундирования с корректором напряжения представлен на рис. 6.43. В этой системе обмотка возбуждения 2 синхронного генератора получает питание от возбудителя, который имеет две обмотки возбуждения 4 и 5. Обмотка 4 подключена через регулировочный реостат 6 к якорю 3 возбудителя и, кроме того, через выпрямитель 9 ко вторичной обмотке трансформатора 7. Первичная обмотка этого трансформатора включена последовательно с якорем 1 генератора. Поэтому при увеличении тока нагрузки генератора возрастает ток в обмотке 4 возбудителя, а следовательно, и его напряжение и ток возбуждения генератора, т. е. осуществляется компаундирование. Степень компаундирования может изменяться посредством реостата 8.

Дополнительное более точное регулирование осуществляется с помощью корректора напряжения 11, который подает питание на обмотку возбуждения 5. Он подключен посредством трансформатора 10 к обмотке якоря генератора, а посредством реостата 8 ко вторичной обмотке трансформатора 7. В результате корректор реагирует на изменения напряжения и тока нагрузки генератора и изменяет соответствующим образом ток в обмотке возбуждения 5. Корректор напряжения представляет собой регулятор напряжения, выполненный на транзисторах или магнитных усилителях. Точность стабилизации напряжения генератора в такой системе достигает ±2% при изменении в широких пределах его тока нагрузки и cosφ.

Рис. 6.43. Система возбуждения с токовым компаундированием и корректором напряжения

Рис. 6.44. Изменение тока возбуждения и напряжения возбудителя при форсировке возбуждения: А — А — момент срабатывания релейной защиты

Форсировка возбуждения. Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения в сети, к которой подключена машина (это может произойти при удаленных коротких замыканиях), применяют форсировку ее тока возбуждения. Форсировка осуществляется автоматически релейной защитой, которая управляет контактными аппаратами, замыкающими накоротко резисторы или реостаты, включенные в цепь обмотки возбуждения возбудителя генератора (например, реостат 6 на рис. 6.43) или подвозбудителя. Согласно ГОСТу эффективность форсировки возбуждения характеризуется кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя kф.в , под которой понимается отношение наибольшего установившегося напряжения возбудителя Uв mах к номинальному напряжению возбуждения Uв ном (рис 6.44), а также скоростью нарастания напряжения возбудителя duв /dt на участке от точки 1 до точки 2, определяемой по формуле

duв /dt = (1-1/e)	Uвmax - Uвном
	Uвном tв

В крупных синхронных генераторах и компенсаторах должно быть kф.в ≥ 1,8 ÷ 2,0 и duв /dt ≥ (1,5 ÷ 2,0) Uв ном в секунду. В остальных синхронных машинах kф.в ≥ 1,4, a duв /dt ≥ 0,8 Uв ном в секунду.

87. Динамическая устойчивость генераторов. Предельный угол и предельное время отключения КЗ.