Книги / элмех2000

222 Синхронные машины Ч. V

при прекращении действия этого возмущения генератор также вернется в режим работы в точке 1.

Если же при работе в точке 2 угол увеличится на , то мощность генератора будет на P меньше мощности турбины, ротор будет ускоряться, угол возрастет еще больше и т.д. В результате генератор выйдет из синхронизма, или при благоприятных условиях перейдет в устойчивый режим работы на последующих положительных полуволнах кривой, после «проскальзывания» ротора на четное число полюсных делений. Если же при работе в точке 2 угол уменьшится, то вследствие нарушения баланса мощностей этот угол будет уменьшаться и далее, пока этот баланс не восстановится в точке 1.

Таким образом, работа неявнополюсного генератора устойчива в области 0 900 и неустойчива, в области

900 1800 .

Аналогичным образом можно установить, что неявнополюсный синхронный двигатель работает устойчиво в области

0 900 .

4.5Реактивная мощность

Если If 0, то и E0 0 , так как в нормальных машинах

э.д.с. от остаточного магнитного потока пренебрежимо мала. В этом случае

Зависимость P f( ) представляет собой синусоиду с уд-

военной частотой.

Из равенства (4.8) следует, что явнополюсная машина в состоянии развивать мощность при синхронном режиме работы также без возбуждения. Устойчивая работа в режиме генератора

кр 450 вместо кр 900 в предыдущем случае.

У невозбужденной явнополюсной машины электромагнитный момент развивается исключительно вследствие действия поля реакции якоря при наличии неравномерности воздушного зазора и называется поэтому реактивным.

Гл. 4 Параллельная работа синхронных машин 223

Реактивный режим работы может возникнуть, например, в случае, когда. при параллельной работе с сетью явнополюсный генератор по какой-либо причине теряет возбуждение (неисправность возбудителя, ложное срабатывание автомата гашения поля и т.д.) и

был при этом, слабо загружен. Последнее обстоятельство существенно потому, что предельная мощность, которую может развить генератор в этом режиме, невелика. Действительно, по формуле (4.8) в относительных единицах, получим

Машина в этом режиме потребляет большой реактивный ток для создания магнитного поля. На холостом ходу ( 0 )

I U xd

и, например, при U* 1 и xd* 1,1 будет I* 0,91.

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

При P const активная составляющая тока Iaq const . По-

этому на векторной диаграмме конец вектора Ia скользит по пря-

мой AB. Если положить

видно, также скользит по прямой АБ. Концы векторов Ia и начала векторов If располагаются в точках 1, 2, 3, 4 на прямой AB.

При непрерывном изменении If ток Ia и cos также бес-

прерывно изменяются, причем при некотором значении If вели-

чина Ia минимальна, а при увеличении If (режим перевозбужде-

ния) и уменьшении If (режим недовозбуждения) против указанно-

го значения If , величина тока Ia возрастает, так как растет его реактивная составляющая. Более точно зависимость Ia f(If )

можно определить путем построения точных векторных диаграмм.

На рис. V-4.7 представлен характер зависимостей Ia f(If ) при разных значениях P const . Эти зависимости по виду называются U - образными характеристиками. Минимальное значение Ia для каждой кривой определяет активную составляющую тока якоря Ir и величину мощности P mUIr для которой построена

значение тока возбуждения при E U. Правые части кривых соответствуют перевозбужденной машине и отдаче в сеть индуктивного тока. и реактивной мощности, а левые части - недовозбужденной малине, отдаче в сеть емкостного тока и потреблению реактивной мощности. Кривая 0 или cos 1 отклоняется при увеличении мощности вправо, так как вследствие падения напряжения x a Iq , возрастает значение E и необходимый ток

возбуждения при cos 1. Кривая OC является регулировочной характеристикой машины при cos 1.

Точка A соответствует холостому ходу невозбужденной машины. При этом из сети потребляется намагничивающий ток.

I U xd

Угол нагрузки возрастает при движении вдоль кривых справа налево, так как при меньших If и E угол при P const увеличивается. Линия AB представляет собой границу устойчивости, на которой кр При дальнейшем уменьшении If ма-

шина выпадает из синхронизма. U- образные характеристики генератора и двигателя практически не отличаются друг от друга.

5. Несимметричные режимы работы синхронных ге-

нераторов

На практике встречаются случаи, когда мощные однофазные потребители нарушают симметричную нагрузку фаз синхронных генераторов (тяговые подстанции железных дорог, электрифицируемых на переменном токе и т.д.). Еще более часто, хотя и кратковременно, несимметричная нагрузка фаз генераторов возникает при несимметричных коротких замыканиях в электрических сетях: при однофазном коротком замыкании - между линейные и нулевые проводами, при двухфазном коротком замыкании - между двумя линейными проводами и при двухфазном коротком замыкании на нейтраль - между двумя линейными и нулевым проводами. Роль нулевого провода в сетях высокого напряжения играет земля так как нулевые точки в таких сетях обычно заземляются.

Общим методом исследования несимметричных режимов является метод симметричных составляющих, при котором несимметричная система токов раскладывается на симметричные составляющие и действие последних учитывается по отдельности.

5.1 Токи и сопротивления прямой последовательности

При симметричной нагрузке синхронного генератора существуют только токи прямой последовательности. Синхронные сопротивления xd и xq , являются сопротивлениями синхронной

машины для токов прямой последовательности.

Ротор машины вращается синхронно с полем токов прямой последовательности или полем реакции якоря и поэтому это поле не индуктирует в цепях индуктора никаких токов. По этой причине сопротивления xd и xq , велики.

Составляющие этого сопротивления являются индуктивное сопротивления рассеяния x a и индуктивное сопротивление от основной гармоники поля в воздушном зазоре (для синхронной машины xad и xaq ).

5.2 Токи сопротивления обратной последовательности

Если обмотка якоря (статор) синхронной машины питается напряжением обратной последовательности U2 , возникающие

при этом токи обратной последовательности создают магнитное поле обратной последовательности, которое вращается по отношению к статору с синхронной скоростью в обратном направлении, а по отношению к ротору, вращающемуся с синхронной скоростью в прямом направлении, - с удвоенной синхронной скоростью. Поэтому относительно этого поля скольжение ротора S2 2 и в обмотках возбуждения, успокоительной и в пассивных

частях ротора индуктируются вторичные токи двойной частоты, которые вызывают соответствующие потери и нагрев ротора.

При Zd2 Zq2 токи статора содержат составляющую ос-

новной частоты и токи тройной частоты, влиянием которых можно пренебречь. Ток основной частоты представляет собой ток обратной последовательности I2 определяется равенством при

S 2 :

Гл. 5 Несимметричные режимы работы синхронных генераторов 227

Сопротивление обратной последовательности синхронной машины Z2 равно отношению основных гармоник напряжения и тока обратной последовательности:

Сопротивления Z2 , x2 и r2 можно определить по измерен-

ным значениям U2 , I2 и потребляемой активной мощностью P2

если подключить синхронную машину к источнику с симметричной системой напряжений и вращать ротор против поля с синхронной скоростью. Во избежание перегрева ротора необходимо, чтобы I2 (0,2 0,25) Iн . Если машина не имеет успокоительных

обмоток и контуров, то для получения более правильных результатов надо из осциллограмм выделить основные гармоники тока и напряжения.

228 Синхронные машины Ч. V

5.3 Токи и сопротивления нулевой последовательности

Токи нулевой последовательности обмотки статора I0 создают в воздушном зазоре только пульсирующие поля гармоник3,9,15... , а основная гармоника поля индуктируют в обмотках возбуждения и успокоительной токи, величины которых относи-

Индуктивное сопротивление пулевой последовательности x0 ввиду отсутствия поля основной гармоники относительно не-

велико и определяется поляки пазового и лобового рассеяния обмотки статора и указанными выше гармониками поля в зазоре. Активное сопротивление нулевой последовательности r0 в ре-

зультате потерь, вызываемых гармониками поля в роторе, несколько больше активного сопротивления обмотки статора ra , но

разность r0 ra невелика и r0 ra . Вращающий момент, созда-

ваемый токами I0 , практически равен нулю.

Сопротивления Z0 , x0 и r0 можно определить опытным

путем, если при вращении машины с синхронной скоростью питать последовательно включенные фазы обмотки статора током I0 . Указанные сопротивления при этом определяются точно так

же, как и у трансформатора.

6.Переходные процессы синхронных машин

6.1Общие вопросы

При резких изменениях режима работы синхронной машины (наброс и сброс нагрузки, замыкание и размыкание электрических цепей обмоток, короткие замыкания в этих цепях и т.д.), возникают разнообразные переходные процессы. В современных энергетических системах работают совместно большое количество синхронных машин, причем мощности отдельных машин достигают 1,5 млн.квт. Переходные процессы, возникающие в одной машине, могут оказать большое влияние на работу других машин и всей энергосистемы в целом, поскольку в этих машинах также возникают переходные процессы. Интенсивные переходные процессы нарушают работу энергосистемы в целом и могут вызвать серьезные аварии.

Следует отметить, что переходные процессы синхронных машин протекают весьма быстро, в течение нескольких секунд и даже долей секунды. Поэтому целенаправленные и согласованные действия эксплуатационного персонала энергетических систем в начальный и вместе с тем решающий период возникновения аварии невозможны. В связи с этим необходимо применять многочисленные и разнообразные средства автоматического управления и регулирования, чтобы воздействовать на возникшие переходные процессы в нужных направлениях.

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

6.2 Гашение магнитного поля и переходные процессы в цепях индуктора

Способы гашения поля. При внутренних коротких замыканиях в обмотке якоря синхронного генератора или на его выводах, до выключателя, автоматическая релейная защита с помощью выключателя отключает генератор от сети. Но короткое замыкание внутри генератора этим не устраняется, ток возбуждения If продолжает индуктировать э.д.с. в обмотке якоря, и в ней

продолжают течь большие токи короткого замыкания, которые вызывают сначала расплавление меди обмотки якоря в месте короткого замыкания, а затем также расплавление стали сердечника якоря. Поэтому во избежание больших повреждений генератора необходимо быстро довести ток возбуждения и поток генератора до нуля. Такая операция называется гашением магнит-

ного поля.

Гашение поля путем разрыва цепи возбуждения генератора, недопустимо, так как при этом, вследствие чрезвычайно быстрого уменьшения магнитного потока в обмотках генератора индуктируются весьма большие э.д.с., способные вызвать пробой изоляции. 3 особенности это относится к самой обмотке возбуждения и к ее контактным кольцам, так как номинальное напряжение цепи возбуждения относительно мало (500-1000В). Вовторых, магнитное поле генератора содержит значительную энергию, которая при разрыве цепи возбуждения гасится в дуге вы-

ключателя между контактами, в результате чего этот выключатель может быстро прийти в негодность.

Разрыв цепи возбуждения возбудителя также недопустим в отношении возникающих при этом перенапряжений в обмотке возбуждения возбудителя. Кроме того, он не дает желательных результатов, так как обмотка возбуждения генератора оказывается замкнутой через якорь возбудителя и ввиду большой индуктивности и небольшого сопротивления этой цепи ток If будет за-

тухать медленно, с постоянной времени 2-10 сек. При этих условиях размеры повреждения генератора при внутренних коротких замыканиях оказываются большими.

Рисунок V-6.1

Одна из широко применяемых схем гашения поля изображена на рис. V-6.1.

Вэтой схеме при нормальной работе контакты 8 замкнуты,

аконтакты 9 разомкнуты. При коротком замыкании релейная защита подает команду на замыкание контактов 9 и отключение контактов 8. Цепь обмотки 2 остается замкнутой через сопротив-

ление 7 гашения поля rш величина которого в 3-5 раз больше со-

противления rf самой обмотки 2. При этом ток If затухает с оп-

ределенной скоростью, которая тем больше, чем больше rш . Кон-

такты 8 в данном случае работают в довольно тяжелых условиях, так как на них возникает сильная дуга.

6.3 Теорема о постоянстве потокосцепления

Дифференциальное уравнение электрической цепи, в которой нет источников посторонних э.д.с., имеет вид

U d ir dt

где - полное потокосцепление этой цепи, обусловленное как

собственным током этой цепи, так и потоками взаимной индукции других цепей, индуктивно связанных с нею.

Если r 0 , то вместо указанного уравнения имеем

d 0 dt

откуда const

Следовательно, потокосцепление сверхпроводящей электрической цепи остается постоянным.

Если, например, к такой цепи подвести полюс магнита, то в ней будет индуктироваться ток такой малой величины и знака, что создаваемое этим током потокосцепление полностью скомпенсирует потокосцепление, вызванное приближением полюса магнита.

Перед внезапным коротким замыканием синхронного генератора в его обмотке возбуждения протекает ток If0 и в цепи возбуждения действует посторонняя э.д.с. (э.д.с. якоря возбудителя)

e0 rfIf0

где rf - сопротивление всей цепи возбуждения.

Однако, если положить rf , то также будет e0 0 т.е. для поддержания тока If0 наличия э.д.с. возбудителя не потребуется.

6.4 Токи трехфазного короткого замыкания

Для того, чтобы выяснить физическую картину явления при трехфазном коротком замыкании, достаточно взять только одну фазную обмотку и считать, что она состоит из эквивалентной катушки, например, A X . Предполагается ,что до момента короткого замыкания машина работала вхолостую, т.е. Ia 0, и рассматривают-