2. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

2.1. Особенности турбогенераторов и гидрогенераторов

Турбогенератор представляет собой быстроходную горизонтальную машину с непод­ин жным статором и вращающимся неявнополюсным ротором. Частота вращения ротора n синхронного генератора связана с частотой переменного тока f постоянным соотношением

n = 60f / p (2.1)

где р — число пар полюсов.

П ри принятой частоте 50 Гц и р = 1 n - 3000 об/мин. Большая скорость вращения турбогенераторов обусловлена тем, что с ее повышением возрастает экономичность рабо­ты паровых турбин и уменьшаются габариты турбин и генераторов. Основные конструк­тивные элементы турбогенератора показаны на рис.2.1.

Рис. 2.1. Продольный разрез турбогенератора: 1 — ротор; 2 — пакет стали статора; 3 — каппа; 4 — хвостовины ротора; 5 — центральное отверстие для токоподводов к обмотке возбуждения; 6 — обмотка возбуждения; 7 — обмотка статора; 8 — нажимные плиты; 9 — корпус

Неявнополюсные роторы турбогенераторов образованы соответствующей укладкой обмотки возбуждения в пазы на цилиндрической поверхности бочки ротора. В пазовой части обмотка возбуждения закрепляется клиньями, а лобовые части обмотки возбужде­ния закрепляются с помощью бандажей 3, называемых каппой. Это цилиндр, насаженный на тело ротора, либо закрепленный на валу ротора, и выполнена из высокопрочной немагнитной стали. Обмотка занимает примерно две трети окружности (рис.2.2). При этом ротор оказывается симметричным относительно двух взаимно перпендикулярных осей d и q , называемых соответственно продольной и поперечной осями машины. Продольная ось условно проходит через центр ротора и делит пополам большой зуб 1 ротора.

Рис. 2.2. Поперечеый разрез ротора: 1 — большой зуб ротора; 2 — малый зуб ротора; 3 — проводники с током обмотки возбуждения

Сердечник статора состоит из изолированных листов электротехнической стали, со­бранных в пакеты, и крепится к газонепроницаемому корпусу. Между пакетами имеются вентиляционные каналы для циркуляции охлаждающей среды.

Гидрогенераторы относятся к числу тихоходных машин. Их номинальная скорость вращения значительно ниже, чем у турбогенераторов и в отличие от них может иметь различные значения в зависимости от расхода и напора воды в створе реки.

Для гидроге­нераторов не устанавливается стандартная шкала мощностей и для каждой гидроэлектростанции гидрогенераторы выполняются по специальному заказу в зависимости от параметров водяного потока в данном створе реки.

Уменьшение числа оборотов приводит к увеличению размеров генератора. Число оборотов гидрогенераторов находится в пределах от 50 до 600 об/мин. Большие частоты вращения относятся к высоконапорным гидро­электростанциям с гидротурбинами небольшой мощности. Гидрогенераторы, имеющие скорость вращения n меньше 200 об/мин, относятся к ти­хоходным машинам. При скорости вращения больше 200 об/мин гидрогенераторы считаются быстроходными.

Особенности условий работы гидрогенерато­ров накладывают отпечаток на конструкцию этих машин. Гидрогенераторы выполняются преиму­щественно с вертикальной осью вращения. Тур­бина располагается под генератором и ее вал со­прягается с валом генератора с помощью фланце­вого соединения. Ротор выполняется большого диаметра со сравнительно малой активной дли­ной. Гидрогенераторы небольшой мощности име­ют горизонтальное исполнение, а большой мощ­ности - вертикальное. Последние, в свою очередь, подразделяются на генераторы под­весного и зонтичного типа.

Вертикальные гидрогенераторы имеют один опорный подшип­ник (подпятник) общий для всего гидрогенератора (турбина-генератор). Подпятник несет большую нагрузку, определяемую весом ротора генератора и рабочего колеса турбины. Радиальные усилия, действующие на ротор, воспринимают два направляющих подшипни­ка. В гидрогенераторе подвесного типа подпятник располагается над ротором в верхней опорной крестовине, а в генераторе зонтичного типа он находится под ротором в нижней опорной крестовине. Последнее исполнение характерно для гидрогенераторов большой мощности. Гидрогенератор имеет явнополюсный ротор, который представляет собой ко­лесо большого диаметра, состоящее из внутренней части (остова), насаженного с помощью втулки на вал, и наружной части (обода), состоящего из штампованных сегментов. При больших диаметрах ротора в ободе возникают значительные усилия, особенно при угловой скорости вращения, которая превышает номинальную в два-три раза. Это увеличение скорости может быть при сборе нагрузки и в случае отказа системы регулирования. Для компенсации этих усилий ГГ оснащаются успокоительной обмоткой, выполняемой из медных или латунных стержней, уложенных в полузакрытые пазы на наконечниках полюсов ротора. По торцам стержни соединяются между собою медными или латунными сегментами.

Обмотки статора у крупных гидрогенераторов выполняются аналогично обмотке ста­тора турбогенератора.

2.2. Факторы, определяющие активную мощность ТГ

Активная мощность турбогенераторов может быть выражена через геометрические размеры, статическую перегружаемую и линейную токовую нагрузку ротора следующим образом:

Р_{ном =} 1,2АВD²L_An10^-2/S (2-2)

где S — статическая перегружаемая нагрузка, представляющая отношение максимально возмож­ной активной мощности к номинальной;

А — линейная токовая нагрузка ротора;

D — диаметр ротора;

l_д — активная длина ротора;

n — число оборотов;

В — индукция в зазоре.

Применение ротора большого диаметра дает возможность увеличить линейную нагрузку почти пропорционально изменению диаметра. Поэтому при неизменной длине активной части ротора мощность пропорциональна его диаметру в кубе.

Металлургические заводы из года в год увеличивают размеры поковок, поставляемых для изготовления роторов крупных турбогенераторов. В настоящее время диаметр ротора ТГ огра­ничен величиной 1250 мм.

Дальнейшее увеличение диаметра ограничивается механическими свойствами не толь­ко поковки для изготовления самого ротора, но и поковки для изготовления немагнитных бандажных колец, защищающих лобовые части обмотки возбуждения от смещения под действием центробежных сил.

Наибольшая длина ротора l_д ограничена статическим прогибом (в неподвижном со­стоянии) и частотными характеристиками системы ротор турбины - ротор генератора.

Скорость вращения, при которой возникает вибрация n_кр, называется критической. При n_кр частота свободных колебаний совпадает или оказывается вблизи вынужденных колебаний, обусловливаемых скоростью вращения. Ротор турбогенератора имеет не одну, а несколько частот собственных колебаний. Соотношение между этими колебаниями определяется конструкцией и геометрическими размерами ротора.

Большую роль играет механическая жесткость центральной и концевых частей. С одной стороны, чем меньше длина "хвостовин" 4 (рис. 2.1) по сравнению с активной частью, тем меньше стрела прогиба и выше частота собственных колебаний. С другой, — чем больше отноше­ние активной длины к диаметру ротора, тем меньше частота собственных колебаний.

Наличие большого зуба 1 (рис. 2.2) в продольной электрической оси ротора приводит к неодина­ковой механической жесткости ротора в различных плоскостях, проходящих через ось вращения. Из-за этого величина прогиба ротора меняется дважды за один оборот, что приводит к возникновению вынужденных колебаний удвоенной частоты вращения.

Связь ротора с паровой турбиной может несколько изменить частоту его свободных колебаний. У современных крупных турбогенераторов основная частота свободных колебаний лежит ниже номинальной скорости вращения, а ее вторая гармоническая — выше или ниже номинальной. В первом случае это так называемые жесткие роторы, во втором — гибкие.

В настоящее время наибольшую длину активной части по соображениям спокойного и надежного хода машины ограничивают величиной пять с половиной-шесть диаметров ротора.

Магнитная индукция В на поверхности ротора достигла уже в 30-х годах 0,8 Т. В последнее время, за счет лучшего отвода тепла от стали ротора, эта величина достигает 1Т. Препятствием является пока практически неизменная магнитная проницаемость стальных поковок для изготовления роторов.

Иначе обстоит дело с линейной токовой нагрузкой ротора А, которая может быть представлена в следующем виде:

А = jΣ_q /πD100 (2-3)

где j — плотность тока в обмотке ротора в номинальном режиме;

А — сумма попе­речных сечений проводников обмотки возбуждения во всех пазах роторт.

Наибольшее возможное значение линейной нагрузки зависит от системы, cпособа и средств охлаждения обмотки. Так, переход от воздушного охлаждения к водородному с избыточным давлением 0,003 МПа позволил увеличить линейную нагрузку ротора на 30 %, а переход к избыточному давлению 0,2 МПа - на 50 %.

Применение непосредственного газового или жидкостного охлаждения дало возмож­ность значительно увеличить плотность тока. Это увеличение обусловлено исключением перепада температуры в изоляционном покрове проводника, в зубцах, с поверхности ротора к пазу и в зазоре между статором и ритором.

Линейная нагрузка зависит и от скорости движения охлаждающей жидкости, омывающей проводники. Так, для двухпо­люсного генератора с диаметром ротора 1...1,15 м при соответствующих скорости и дав­лении линейная нагрузка А составляет 2000...3000 А/см при плотности тока 10 А/мм². С увеличением линейной токовой нагрузки ротора возрастает нагрузка статора. В соответ­ствии с этим системы охлаждения статора тоже меняются. При линейной токовой нагрузке статора A_ст = 2000 А/см и непосредственном водяном охлаждении плотность тока в обмотке статора уже превышает 7 А/мм². В дальнейшем эта плотность может быть еще более увеличена.

2.3. Момент на валу турбогенератора

П ри работе машины постоянный ток от возбудителя, проходя по обмотке возбуждения генератора, создает магнитный поток Ф, вращающийся имеете с ротором. Путь прохожде­ния потока показан на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Расположение потока Ф при холостом ходе генератора: 1 — большой зуб ротора; 2 — воздушный зазор; 3 — проводники обмотки статора; 4 — проводники обмотки ротора

В установившемся режиме, т.е. при неизменных значениях нагрузки и скорости вращения, сумма моментов, действующих на вал генератора, равна нулю. Если по какой-либо причине это условие нарушается, возникает избыточный момент (вращающий или тормозящий) и скорость вращения увеличивается или уменьшается.

М ожно сказать, что вращающий момент турбины уравновешивается равным ему по величине, но противоположным по знаку тормозящим моментом турбогенератора.

Вращающий момент паровой турбины определяется давлением, температурой и коли­чеством пара, поступающего на лопатки, а также глубиной вакуума в конденсаторе.

Тормозящий момент на валу турбогенератора возникает в результате взаимодействия магнит­ного потока, пересекаю­щего зазор между стато­ром и ротором, с током в проводниках и противо­положен моменту на валу турбины.

На холостом ходу ТГ ось магнит­ною потока совпадает с осью полюсов ротора. Угол δ между ними ра­нен нулю (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Моменты, действующие на вал ротора при холостом ходе

В се токи проводников обмот­ки возбуждения (условно извлеченные на поверх­ность) находятся в поле, у которого первая гармо­ническая магнитной ин­дукции синусоидально распределена по окруж­ности расточки статора (рис.2.5) .

Рис. 2.5. Изменение магнитной индукции по окружности расточки статора: 1÷4 - точки на окружности статора

Несмотря на то, что каждый проводник подвергается определенному усилию, результирующий момент на валу, а, следовательно, и развиваемая активная мощность равны пулю. Отсутствие момента на валу в режиме холостого хода машины, не включенной в сеть, объясняется тем, что магниные линии вызваны тем же током.

Если генератор включен в сеть, но не несет активной нагрузки, имеет место то же самое явление. Действительно, из-за отсутствия углового сдвига между осью Ф и осью полюсов ротора d обмотанная часть окружности ротора делится на четыре равные части (рис. 2.5). Ток во всех проводниках один и тот же, число проводников на каждом участке также одно и то же. Отдельные проводники нахо­дятся в зоне различной магнитной индукции В, но мо­менты на валу, образованные каж­дым участком в отдельности и их распределение равны по величине. Применяя правило ле­вой руки (рис. 1.1), можно устано­вить, что на участках с и s усилия, а следовательно, и моменты действуют по направлению вращения часовой стрелки, а на участках а и к — в про­тивоположном направлении. Таким образом, моменты, возникшие на от­дельных участках, попарно компен­сируются. В результате момент и активная мощность на валу равны нулю.

П ри сдвиге полюсов d относительно оси магнитного потока Ф машины на угол δ пределах от 0 до 90° обмотанная часть окружности ротора может быть разделена на шесть симметричных попарно равных участков (Рис. 2.6).

Рис. 2.6. Моменты, действующие на вал ротора в режиме нагрузки

Рис. 2.7. Условие получения максимального момента

Из со­отношения направления силовых линий в зазоре и тока в провдниках следует, что усилия на участ­ках а и к противоположны, а на участках сиз совпадают с направлением вращения часовой стрелки.

На участках L и М различно не только направ­ление тока в проводниках, но и направление маг­нитного поля относительно проводников. Поэто­му на этих участках усилия и соответственно мо­менты на валу действуют в одном и том же направ­лении и суммируются.

Эти зоны магнитного потока и обмотки ротора являются активнодействующими. Они образуют результирующий момент на валу и определяют активную мощность турбогенератора в данном ре­жиме.

Чем больше угол между осью d и магнитным потоком Ф, тем больше размеры активнодействующих зон (на рис. 2.6 они заштрихованы). Вместе с тем эти участки оказы­ваются в зоне все большей магнитной индукции. В результате увеличивается усилие на валу и ак­тивная мощность.

При угловом сдвиге 90° активнодействующей является вся обмотка (рис. 2.7). В соответствии с этим момент на валу и активная мощность наибольшие. При еще большем сдвиге размеры активных участков становятся меньше, умень­шается и момент на валу. При сдвиге на 180° момент и мощность вновь равны нулю.

При сдвиге па 270° величины снова достигают максимума, но действуют в обратном направлении. Сдвиг между осями полюсов и потока в пределах 180...360° соответствует работе турбоге­нератора в режиме двигателя.

2.4. Основные параметры синхронных генераторов

К основным параметрам СГ принято относить:

• синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси х_d , о.е.;

• переходное сопротивление по продольной оси x'_d , о.е.;

• сверхпереходное сопротивление по продольной оси х"_d , о.е.;

• электромагнитные постоянные времени затухания:

• апериодической составляющей тока статора Т_а, с;

• свободной переходной и сверхпереходной составляющих тока статора Т'_d; и T''_d , с;

• механическую постоянную времени (время замедления или время ускорения) Tj, с.

Рассмотрим эти параметры более детально.

С инхронное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси х_d характеризует состояние синхронного генератора в установившемся (нормальном и к.з.) режиме.

Схема замещения СГ в таких случаях соответствует рис. 2.7, откуда следует, что

x_d = x_s + x_ad (2-4)

где x_s - сопротивление рассеяния обмотки статора;

х_ad - сопротивление взаимоиндукции между обмотками.

В то же время, из курса электрических машин известно, что эта величина равна x_d = А / B_ d (2-5)

где А — линейная электрическая нагрузка статора;

B_ — индукция в воздушном зазоре;

 — полюсное деление;

 — значение воздушного зазора.

Поскольку величины А, B_ и  задаются при проектировании машины, то при прочих равных условиях, как видно из уравнения, значение х_d зависит от размера зазора между ротором и статором. При этом с увеличением зазора х_d уменьшается, т.е.   x_d

При увеличении зазора  индукция B_ внутри его падает, т.к. увеличивается сопротивление магнитной цепи. Для поддержания заданной индукции необходимо увеличивать намагничивающую силу (F_e=I-w) обмотки возбуждения. Это, приводит к увеличению тока в обмотке возбуждения и, в свою очередь, к необходимости применения более эффективного охлаждения и, следовательно, к удорожанию генератора:

d   F_в     (охлаждение)  (стоимость).

Поэтому, с точки зрения удешевления конструкции, желательно уменьшение воздушного зазора. Но при этом возникают другие трудности.

Во-первых, так как     x_d , то наоборот при уменьшении воздушного зазора x_d растет и, соответственно, снижается предел статической устойчивости, определяющий максимальную передаваемую мощность.

Р_м = E_qU_c / (x_d, + x_вн) (2-6)

где U_c – напряжение на шинах системы;

x_вн – сопротивление связи с системой

С точки зрения устойчивости параллельной работы генератора с системой такое снижение Р_м нежелательно.

Во-вторых, размер зазора d нежелательно уменьшать, так как при этом ухудшаются условия вентиляции.

С укрупнением генераторов растет их линейная нагрузка А, поэтому при неизменных значениях B_,, увеличивается x_d, а поскольку это нежелательно, то увеличивают воздушный зазор совершенствуя систему охлаждения. Для крупных машин увеличение зазора требуется относительно меньше, чем увеличение линейной нагрузки А, поэтому с увеличением мощности все же характерна тенденция к росту x_d .

Переходное и сверхпереходное сопротивления по продольной оси характеризуют состояние синхронного генератора в режиме к.з. при его работе в составе энергосистемы, когда между отдельным генератором и энергосистемой возникают качания - колебания значения и знака передаваемой мощности.

При возникновении качаний необходимы дополнительные меры для уменьшения колебаний роторов генераторов. Обмотка возбуждения, замкнутая на относительно малое сопротивление возбудителя, поэтому не обеспечивает инерционность ротора при качаниях. Для решения этой задачи на роторе кроме обмотки возбуждения требуются дополнительные меры для гашения этих колебаний

У турбогенераторов ротор неявнополюсный и его массивное тело можно рассматривать состоящим из множества элементарных успокоительных контуров, равномерно распределенных по поверхности ротора и снижающих колебания, возникающие при переходных электромеханических процессах.

В гидрогенераторах ротор, как правило, явнополюсный, поэтому на нем успокоительная или демпферная обмотка выполняется специально. Она располагается на полюсах наконечников и представляют собой медные стержни, уложенные в пазы и соединенные медными полосами большого сечения. По конструкции демпферная обмотка напоминает беличью клетку асинхронного двигателя.

Рис. 2.8. Полюс ротора генератора с демпферной обмоткой

Как в нормальном, так и в установившемся режиме к.з. по этим обмоткам (возбуждения и демпферной) никаких токов (переменных) не протекает, хотя между обмотками статора и ротора имеется индуктивная связь.

П ри внезапном к.з. или качаниях токи протекают во всех обмотках ротора, поэтому генератор может рассматриваться как трансформатор с соответствующей схемой замещения, у которого первичной обмоткой является обмотка статора, а вторичной — обмотки ротора (возбуждения и демпферная).

Рис. 2.9. Схемы замещения и значения сопротивлений при к.з. для генераторов: а) - без демпферных обмоток; б) - генераторов с демпферными обмотками и турбогенераторов.

Рассмотрим особенности электромагнитного процесса при внезапном к.з. синхронного генератора.

В нормальном режиме и установившемся режиме к.з. по этим обмоткам (возбуждения и демпферной) никаких токов (переменных) не протекает, хотя между обмотками статора и ротора имеется индуктивная связь.

При внезапном к.з. во всех обмотках синхронного генератора возникают переменные токи, содержащие периодические и апериодические составляющие. Так в статорной обмотке, кроме апериодической появляется периодическая составляющая установившегося тока к.з. (уменьшением амплитуды вследствие размагничивающего действия реакции якоря здесь пренебрегаем).

Апериодические составляющие токов к.з. в обмотках демпферной и возбуждения создают затухающие во времени поля (пространственно направленные вдоль оси ротора). Вследствие вращения ротора эти поля индуцируют в статорной обмотке затухающие э.д.с., вызывающие протекание двух составляющих периодического тока с частотой равной частоте сети. Одна из этих составляющих переходная — затухает с постоянной времени обмотки возбуждения, вторая затухает с постоянной времени демпферной обмотки и называется сверхпереходной.

Рассмотрим значения постоянных времени затухания токов в статорных обмотках, поскольку именно они оказывают влияние на процессы, происходящие во внешней цепи.

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока статора Т_а определяется соотношением

Т_а = х₂ /ωr_a , (2-7)

где х₂ ≈√x^"_d + x^"_q - сопротивление обратной последовательности генератора;

r_а = ρl/s - активное сопротивление обмотки статора.

При увеличении мощности x_d увеличивается, соответственно увеличивается и х₂, но с ростом мощности растет и номинальное напряжение, а следовательно, требуется увеличение толщины изоляции. При практически неизменных размерах машины это приводит к уменьшению сечения обмотки и, следовательно, к увеличению ее активного сопротивления. Кроме того, создание вентиляционных каналов внутри проводников при непосредственном охлаждении также снижает сечение.

Сопротивление х₂ растет быстрее, чем r_а, поэтому с ростом единичной мощности генераторов характерна тенденция к увеличению постоянных времени не только апериодической составляющей тока статора генератора, но и других электромагнитных постоянных времени - затухания свободной переходной составляющей тока статора генератора и затухания свободной сверхпереходной составляющей этого тока).

Механическая постоянная времени

Переходные электромагнитные процессы в синхронном генераторе состоят в изменении потокосцеплений контуров, напряжений на выводах и токов в обмотках. Это сопровождается изменением мощности и появлением моментов на валу генератора (тормозящих или ускоряющих). Разность моментов на валу турбоагрегата приводит к отклонению скорости вращения от номинального значения. Очевидно, что чем больше механическая инерция вращающихся масс агрегата, тем (по аналогии с маховиком)меньше вероятность нарушения синхронного режима. Поэтому наряду с рассмотренными выше электромагнитными параметрами механическая инерция вращающихся частей агрегата является важным параметром, существенно влияющим на характер электромеханического процесса.

Эта величина численно определяет продолжительность пуска агрегата на холостом ходу из состояния покоя до достижения номинальной скорости вращения.

Механическая инерция вращающихся масс характеризует при данной частоте вращения энергию, запасенную в них, и оценивается т.н. постоянной времени механической инерции T_j.

T_j = A GD² n²/ P, (2-8)

где A - некоторый числовой коэффициент, зависящий от выбранной системы единиц;

GD² - маховой момент;

n - номинальная частота вращения;

Р - номинальная мощность.

Согласно этому выражению, чем больше номинальная мощность агрегата, тем меньше (при прочих равных условиях) его механическая постоянная времени.

Поэтому с ростом единичной мощности агрегатов усложняется задача обеспечения их статической и динамической устойчивости параллельной работы в энергосистемах. Как следствие, повышаются требования и к регуляторам турбин, с точки зрения их чувствительности и к системам возбуждения генераторов по скорости нарастания возбуждения при форсировке.

Таблица В.4. Сравнение параметров некоторых генераторов.

Мощность агрегата, МВт	l, м	d,м	Tj
160	3,95	1,0	2,9
200	4,35...5,1	1,075	2,7
300	5,8...6,1	1,075...1,12	2,3
500	6,2...6,35	1,12	1,52
1200	8,0	1,25	-

Отношение короткого замыкания (ОКЗ)

Так принято называть отношение установившегося тока статора трехфазного к.з. на выводах статора I_к⁽³⁾ при токе возбуждения, соответствующем номинальному напряжению U_н по характеристике холостого хода i_вo, к номинальному току статора I_н :

ОКЗ = I_к⁽³/ I_н . (2-9)

ОКЗ можно определить иначе, а именно как отношение тока возбуждения i_вo, необходимого для создания номинального напряжения в режиме холостого хода (при номинальной частоте вращения) к току возбуждения i_вк, необходимому для создания номинального тока статора в режиме установившегося трехфазного к.з. на выводах, т.е.

ОКЗ = i_вo / i_вк . (2-10)

Этот параметр имеет большое значение для оценки свойств генератора. Значение ОКЗ характеризует размагничивающее действие реакции якоря (тока статора) при активно- индуктивной нагрузке во всех режимах работы генератора.

2.5 Характеристики синхронного генератора

Характеристики х.х. , н.з. и к.з.

На холостом ходу турбогенератора под током находится только обмотка возбуждения, питаемая от постороннего источника постоянного напряжения. Этот ток образует магни­тодвижущую силу возбуждения F_f под действием которой возникает магнитный поток Ф, проходящий по пути, показанном на рис. 2.3.

На холостом ходу ось магнитного потока совпадает с осью полюсов ротора d. Часть магнитного потока замыкается поперек зубцов ротора, не охватывая проводники обмотки статора, образует поток рассеяния ротора.

При вращении ротора магнитный поток Ф, неподвижный относительно ротора, пере­текает витки трех фаз обмотки статора и наводит в каждой из них практически синусои­дальную ЭДС E.

Ч ем больше ток в обмотке возбуждения, чем больше магнитодвижущая сила, магнитный поток и напряжение на выводах генерато­ра U. Зависимость этого напряжения от тока возбуждения является нелинейной функцией от тока возбуждения из-за нелинейности намагничивания активной стали статора и ротора, ее принято называть характеристикой холостого хода машины (рис.3.1).

Рис. 2.10. Характеристики трехфазного короткого замыкания (ХКЗ), намагничивания зазора (ХНЗ), характеристика холостого хода (XXX)

Касательная к действительной характеристике холостого хода в начале коорди­нат называется характеристикой на­магничивания зазора, так как при этом предполагается, что магнитная проницаемость магнитопровода рав­на бесконечности.

Точка пересечения характеристики зазора с горизон­талью, соответствующей любому на­пряжению, делит ток возбуждения на две части. Первая составляющая оа затрачивается на преодоление магнитного сопротивле­ния зазора, а вторая ab - на преодо­ление магнитного сопротивления стальных участков магнитной цепи.

ЭДС, наведенная в обмотках ста­тора на холостом ходу, и напряжение U на выводах при разомкнутой це­пи статора, пропорциональны окруж­ной скорости магнитного потока относительно витков обмотки стато­ра. Поэтому каждой скорости враще­ния соответствует своя характеристи­ка холостого хода, но при рассмотрении режимов работы ТГ практически всег­да имеют в виду характеристику, соответствующую номинальной скорости вращения.

При замыкании обмотки статора на нагрузку или накоротко в симметричной трехфазной цепи возникают под действием ЭДС три синусоидальных тока, сдвинутых по фазе на 120°. В установившемся симметричном режиме сочетание магнитодвижущих сил (MДC) всех трех фаз образует вращающуюся МДС, ось которой перемещается по окружности статора с синхронной скоростью по направлению вращения ротора. Характеристика установившегося трехфазного короткого замыкания представляет собой (рис.3.1) зависимость тока короткого замыкания от МДС или от тока возбуждения.

По характеристике короткого замыкания номинальному току I_ном соответствует ток возбуждения I_{f кз}. Из точки пересечения характеристики холостого хода с горизонталью, соответствующей ЭДС рассеяния E_раcc, опустим перпендикуляр на ось абсцисс. Осно­вание этого перпендикуляра делит полный ток возбуждения I_{f кз} на две части. Первая составляющая I_{f расс.} затрачивается на поддержание в машине магнитного потока Ф , наводящего в обмотке статора ЭДС, необходимую для компенсации падения напряжения в реактивном сопротивлении рассеяния обмотки статора. Вторая часть, I_{f р.я.} , равная I_{f кз} - I_{f расс.}, является составляющей тока возбуждения, затрачиваемой на компенсацию МДС реакции статора .

Ток короткого замыкания в общем случае отличается от номинального, при этом имеют место следующие соотношения:

F_pacc. = I_{f расс.}  I / I_ном (2.11)

F_a = [I_{f кз} - I_{f расс} ] I / I_ном (2.12)

F_f = I_{f кз}  I / I_ном (2.13)

По характеристике намагничивания зазора (рис. 2.10) намагничивающим силам соответствуют электродвижущие силы :

E_pacc. = [U_ном / I_{f (0)b}] [I_{f расс}  I / I_ном] (2.14)

E_a = [U_ном / I_{f (0)b}] [I_{f кз} - I_{f расс} ] I / I_ном (2.15)

E _кз = [U_ном / I_{f (0)b}] I_{f кз}  I / I_ном (2.16)

Относя каждое из этих уравнений к номинальному напряжению, получим ЭДС в относительных единицах:

e_b = [I_{f расс} / I_{f (0)b}] i (2.17)

e_a = [I_{f кз} - I_{f расс} / I_{f (0)b}] i (2.18)

e _a+b = [I_{f кз} / I_{f (0)b}] i (2.19)

Соответствующее величине ЭДС e _a+b реактивное сопротивление называется синхрон­ным реактивным сопротивлением продольной оси и в относительных единицах обознача­ется

x_d = I_{f кз} / I_{f (0)b} (2.20)

где I_{f кз} — ток возбуждения в режиме установившегося трехфазного короткого замыкания на выводах ТГ при токе, равном номинальному току статора,

I_{f (0)b} — ток возбуждения при номинальном напряжении ТГ по характеристике намагничивания зазора между ротором и статором.

Величины в квадратных скобках (3.7) и (3.8) являются соответственно реактивным сопротивлением рассеяния обмотки статора х_ и синхронным реактивным сопротивле­нием реакции статора по продольной оси х_ad

Применение характеристики намагничивания зазора взамен действительной характе­ристики холостого хода является одним из способов замены нелинейной функции линей­ной. Насыщенное значение х_{d нас} можно определить, заменив в (3.10) I_{f (0)b} на I_{f (0)} (см. рис.3.1), тогда:

х_{d нас} = I_{f кз} / I_{f (0)} = I_{f (0)b} I_{f кз} / I_{f (0)} I_{f (0)b} (2.21)

Упрощенная векторная диаграмма турбогенератора

П ри исследовании режи- мов работы генератора, вклю- ченного в сеть, в большинстве случаев используют упрощен- ную векторную диаграмму, в которой действительная нели­нейная характеристика хо- лостого хода заменена спрямленной линейной.

Рис. 2.11 Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) синхронного неявнополюсного генератора.

Для крупных машин активным сопротивлением обмотки статора можно пренебречь. Из-за этого возникает некоторая неточность в оценке значений тока и напряжения. Но так как основной мелью исследований режима работы генератора является не определение точных значений отдельных величин, а выяснение их относительных изменений после перехода генератора из одного установившегося режима в другой, то эти неточности не имеют существенного значения.

Построение векторной диаграммы номинального режима (рис. 2.11,б) начинают с век­торов фазного напряжения U на выводах и вектора тока статора I. В относительных величинах каждый из этих векторов равен единице. Вектор тока статора I отстает от вектора фазного напряжения на угол φ = arcos x_н / r_н , где x_н и r_н – соответственно индуктивное и активное сопротивление нагрузки генератора.

Проведя через вершину вектора напряже­ния U прямую, перпенди- кулярную вектору тока I и отложив на ней значение полного падения напряжения в турбогенераторе I х_d (также в относительных единицах), находят вершину вектора ЭДС возбуждения E_q.

Значение ЭДС E_q можно получить по следующей формуле:

E_q = √U² +(I x_d)² +2U I Sin φ (2.22)

Величина E_q в относительных величинах показывает, во сколько раз она больше поминального напряжения. Кроме того, E_q представляет кратность тока возбуждения относительно тока возбуждения, соответствующего номинальному напряжению при холо­стом ходе. Вектор­ная диаграмма (рис. 2.11,б) соответствует схеме замещения синхронного неявнополюсного генератора (рис. 2.11,а).

Регулировочные характеристики генератора

При эксплуатации синхронного генератора, питающего автономную нагрузку, режим его работы меняется в зависимости от характера потребителей электрической энергии, присое­диненных к генератору. В этом случае Сosφ генератора и нагрузки всегда равны.

В нормальных режимах, при которых мощность, потребляемая нагрузкой, не пре­восходит номинальной, амплитуда и частота напряжения генератора должны быть близки к номинальным. Это обеспечивается системами возбуждения и автоматического регулирования скорости вращения генератора. Напряжение на выводах генератора поддерживается на заданном уровне за счет изменения тока возбуждения, а активная мощность и частота определяются регулированием первичного двигателя.

Изменение нагрузки z_н = r_н +jx_н неявнополюсного генератора при U = сonst, ω = const и φ = сonst приводит к изменению тока возбуждения I_f, характер изменения следует из векторных диаграмм (рис. 2.12).

О бычно генератора принимают равным номинальному напряжению U = U _н = const, а частоту – равной номинальной угловой частоте ω=ω_н.

Рис. 2.12 Изменение тока возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного неявнополюсного генератора.

Задаваясь несколькими относительными значениями тока якоря генератора, например, I = 0; 0,2; 0,4; 0,6; 1,0, находят по векторной диаграмме для каждого из них требуемый ток возбуждения, зная, что величина тока возбуждения строго пропорциональна электродвижущей силе генератора Е при ненасыщенной машине.

Зависимость тока возбуждения от тока якоря, т. е. I_f = f(I) ), при указанных ограничениях называется регулировочной характеристикой. Семейство регулировочных характеристик генератора при различных углах нагрузки показано на рис. 2.13 .

Регулировочные характеристики показывают, как надо регулировать ток в обмотке возбуждения генератора при изменении нагрузки, чтобы напряжение на его выводах оставалось постоянным.

1. П ри активно-индук- тивной нагрузке (φ>О) магнитодвижущая сила (МДС) реакции якоря F_aq носит размагничиваю- щий характер и при росте нагрузки для под держа- ния заданного напряже- ния требуется увеличи- вать ток возбуждения.

Рис. 2.13 регулировочные характеристики генератора

б) При активной нагрузке (φ=0) ток в обмотке возбуждения необходимо увеличивать, чтобы компенсировать уменьшение напряжения U за счет падения напряжения в обмотке якоря и размагничивающего действия поперечной реакции якоря F_aq.

Из векторных диаграмм (рис. 2.13) видно, что в указанных диапазонах изменения угла φ увеличение тока статора сопровождается увеличением I_f. Наибольшее увеличение тока возбуждения имеет при чисто индуктивной нагрузке (φ>О), наименьшее — при активной (φ=О) нагрузке.

в) При активно-емкостной нагрузке ток в обмотке возбуждения необходимо уменьшать, чтобы компенсировать увеличение напряжения U за счет действия продольной намагничивающей реакции якоря F_ad.

г) В случае чисто емкостной нагрузки ток возбуждения падает более резко с ростом тока якоря. При токе якоря, соответствующем резонансу напряжений, ток возбуждения обра­щается в нуль. При чисто емкостной нагрузке (φ<0) ток возбуждения при небольших токах якоря немного раньше, чем при холостом ходе, достигает минимального значения (точка 5, рис. 2.13) и затем начинает увеличиваться.

Векторная диаграмма для рассматриваемого случая приведена на рис. 2.14.

И з векторной диаграммы (рис. 2.14) видно, что ЭДС Е_q, геометрическим местом конца вектора которой является линия 4, 5, 6, 7, изменяется при увеличении тока якоря от точки 4 к точке 6 подобно описанному изменению тока возбуждения.

Рис. 2.14 Семейство векторных диаграмм при –φ = сonst.

При меньших токах якоря (точки 4 и 4’ ), которые имеют место при x_н ˃х_d, угол

β = arctg [(х_d - x_н)/ x_н], (2.)

a E_q отстает от тока I. В этих точках продольный ток и продольная МДС якоря получаются намагничивающими и ток возбуждения меньше тока воз­буждения на холостом ходу. В точках 5 и 5' при |-x_н| = х_d возникает резонанс напряжений. Реактивное сопротивление обращается в нуль и ток якоря носит чи­сто активный характер (β = 0). При этом ток возбуждения приобретает минимально возможное значение, соответствующее мини­мальной ЭДС Е_q (точка 5, рис. 2.14).

При x_н < х_d и β ˃ 0 ЭДС Е_q опережает ток I (точки 6, 6' на рис. 2.14). В этих точках продольный ток и продольная МДС якоря получаются размагничивающими, ЭДС Е_q˃Е_q.min и ток возбуждения I_f больше минимального тока в точке 5^/, когда ток якоря содержит только поперечную составляющую I_q , а продольная составляющая от­сутствует.

Таким образом, при включении машины на емкостное сопротивление на ее выводах может появиться напряжение даже при отсутствии возбуждения. Это явление называется само­возбуждением синхронной машины.

Нагрузочные характеристики генератора

Н агрузочная характеристика представляет зависимость U=f(I_в) при I ≠ 0 = const, Cosφ = const, f = const.

На рис. 2.15 изображены нагрузочные характеристики синхронных генераторов для различных видов нагрузки.

Рис. 2.15. Нагрузочные характеристики синхронного генератора:

1 - активно-емкостная нагрузка (RC); 2 - активная (R); 3 - индуктивная нагрузка (L)

Характеристику холостого хода (х.х.х.) можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при токе нагрузки генератора I= 0.

Нагрузочные характеристики при активной (2) и активно- индуктивной (3) нагрузках проходят ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в обмотке якоря и размагничивающего действия поперечной реакции якоря F_aq и продольной реакции якоря F_ad.

Нагрузочная характеристика при активно-емкостной нагрузке (кри­вая 1) проходит выше характеристики холостого хода из-за действия про­дольной намагничивающей реакции якоря F_ad .

Допустимые перегрузки генераторов с различными способами охлаждения

Речь идет о кратковременных перегрузках, вызванных удаленными к.з., выпадением машины из синхронизма, форсировкой возбуждения, пуском мощных двигателей и т.д.

Абсолютная величина перегрузки по статору и ротору опасна тем, что температура нагрева превышает допустимую, а это сказывается на долговечности генератора. В некоторых случаях повышенная вибрация вызывает опасность механического разрушения. Опасность тем выше, чем длительнее перегрузка, поэтому допускается кратковременная, регламентированная заводом изготовителем, перегрузка, длительность и величина которой зависит от системы охлаждения.

Генераторы с жидкостным непосредственным охлаждением имеют большие плотности тока чем генераторы с поверхностным. Материал этих машин находится в большем термическом напряжении. Это обстоятельство ограничивает допустимую перегрузку по величине. Кроме того в генераторах с жидкостным охлаждением нельзя допускать закипания воды в обмотках, т.к. это приводит к нарушению однородности охлаждаюгцей среды и ухудшению условий охлаждения. Возникает опасность деформации обмоток при дополнительном нагревании.

Все сказанное выше говорит о том, что генераторы с непосредственным охлаждение допускают меньшие перегрузки в аварийных условиях, чем таковые с косвенным охлаждением. В аварийных условиях для турбогене- раторов с непосредственным охлаждением разрешается кратковременная перегрузка по току статора в пределах, указанных в таблице В.5

Таблица В.5. Допустимая кратность и продолжительность перегрузки турбогенераторов по току статора (по ПТЭ)

Продолжительность перегрузки, мин, не более	Допустимая кратность перегрузки по отношению к номинальному току
	при косвенном охлаждении обмотки статора (серия ТВФ)	при непосредственном охлаждении обмотки статора
		водой	водородом
1	2	1,5	1,5
2	1,5	1,4	1,3
3	1.4	1,35	1.25
6	1,2	1,2	1,15
60	1.1	1,1	-

Аналогичная таблица приводится в ПТЭ и для ротора, но эта зависимость от способа охлаждения выражена меньше.

Отношение короткого замыкания (рис. 2.16)

Одним из важных параметров синхронного генератора является отно­шение короткого замыкания (ОКЗ), величина, позволяющая оценить его эксплуатационные свойства.

Под отношением короткого замыкания ОКЗ понимают отношение установившегося тока трехфазного к.з. I_к⁽³⁾ на выводах статора при токе возбуждения I_в(0), соответствующем номинальному напряжению по х.х.х., к номинальному току статора:

ОКЗ =I_в0 / I_вк = I_к0 /_Iк . 5 (4.9)

где I_в(0) - ток в обмотке возбуждения, который определяется по характери­стике холостого хода при номинальном напряжении;

I_вк - ток в обмотке возбуждения, который определяется по характеристике трехфазного ко­роткого замыкания при I_к = I_н (рис. 2.16).

Д ля неявнополюсных синхронных машин x_d « x_q (турбогенераторы)

ОКЗ = 0,4 ÷ 0,7.

Для явнополюсных синхронных машин x_d ≠ x_q (гидрогенераторы, синхронные двигатели, синхронные компенсаторы)

ОКЗ = 0,8 ÷ 1,8.

Рис. 2.16. Отношение короткого замыкания

По отношению короткого замыкания ОКЗ определяется статическая устойчивость синхронных генераторов.

Под статической устойчивостью понимается способность синхрон­ного генератора не выпадать из синхронизма при плавном увеличении нагрузки. Синхронные машины с малой величиной ОКЗ имеют большее изменение напряжения при колебаниях нагрузки, являются менее устойчи­выми при параллельной работе. Однако такие машины являются более де­шевыми.

Чем больше значение ОКЗ, тем эффективнее использование активных мате­риалов в машине.

Внешние характеристики синхронного генератора (рис. 2.17)

Внешние характеристики синхронного генератора представляют за­висимость U = f(I) при I_в = const, Cosφ = const, f = const. Они позволяют оценить, как изменяется напряжение на выводах генератора при изменении тока нагрузки.

Внешние характеристики синхронного генератора обычно строятся при одном или двух характерных токах возбуждения либо при токе возбуждения, соответствующем номиналь­ному напряжению при холостом ходе, либо при номинальном токе возбуждения, соответ­ствующем номинальному режиму. При построении внешних характеристик учет насыщения обязателен.

Рассмотрим семейство внешних характеристик синхронного генератора, представленных на рис. 2.17 и построенных при различ­ных углах нагрузки.

Напряжение на выводах синхронного генератора равно

U = E₀ – jIx_я - Ir_я, (4.10)

г де х_я - индуктивное сопротивление обмотки якоря;

r_я - активное сопро­тивление обмотки якоря,

U - изменение выходного напряжения

U = (E₀ – U_н) / U_н. (4.11)

При активно-емкостной на- грузке (характеристика 1) напряжение U на выводах синхронного генератора увеличивается за счет действия про­дольной намагничивающей реакции якоря F_ad.

Рис. 2.17. Внешние характеристики синхронного генератора: 1 - активно-емкостная нагрузка (RC); 2 - активная нагрузка (R); 3 - активно-индуктивная нагрузка (RL)

При активной нагрузке (характеристика 2) напряжение U на выводах синхронного генератора уменьшается за счет паденшр1гапряжения в об­мотке якоря и размагничивающего действия поперечной реакции якоря F_aq.

При активно-индуктивной нагрузке (характеристика 3) напряжение U на выводах синхронного генератора уменьшается за счет падения напря­жения в обмотке якоря, и размагничивающего действия продольной реак­ции якоря F_ad.

При активно-емкостной нагрузке (характеристика 1) напряжение U на выводах синхронного генератора увеличивается за счет действия про­дольной намагничивающей реакции якоря F_ad.

4. РЕЖИМ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА С СИСТЕМОЙ

4.1. Общие положения

Условия работы синхронного генератора в электрической системе зависят от соотношения его полной мощности S и полной мощностью всех параллельно включенных генераторов, питающих общую нагрузку.

Чем больше относительная мощность синхронного генератора, тем сильнее влияет изменение режима его работы на частоту и напряжение системы. Рассмотрим наиболее распространенный случай работы генератора на шины бесконечной мощности.

В этом случае любое изменение параметров генератора не влияет на значение напря­жения на выводах генератора, так как внутреннее сопротивление системы бесконечной мощности практически равно нулю.

Работа генератора с U = const возможна в следующих режимах:

• режим синхронного компенсатора,

• режим генератора

• режим двигателя.

Рассмотрение ре­жимов синхронного генератора удобно проводить на примере неявнополюсного генера­тора.

4.2. Режим синхронного компенсатора

В режиме синхронного компенсатора значение активной мощности можно принять равным нулю, пренебрегая малой ее величиной, затрачиваемой на трение при вращении генератора.

При этом напряжение U совпадает по фазе с ЭДС, угол δ равен нулю и ток генератора продольный характер и сдвинут по отношению к ЭДС и напряжению на угол 90°.

Х арактер изменения тока статора при изменении тока возбуждения можно проследить по векторным диаграммам рис.4.1. В зависимости от соотношения значений ЭДС и напряжения генератор либо отдает реактивную мощность в сеть, либо потребляет ее из сети.

Рис. 4,1. Векторные диаграммы синхронного генератора в режиме компенсатора:

a) I_f1 > I_f ; б) I_f2 < I_f1 < I_f ; в) I_f3 = I_f ; г) I_f4 < I_f, д) I_f5 = 0, I_f – I_fxx

При недовозбуждении, т.е. когда ЭДС генератора меньше напряжения на его выводах, генератор потребляет реактивную мощность из сети. Выдача реактивной мощности в сеть имеет место при перевозбуждении. Зависимость реактивной мощности от тока возбуждения показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Зависимость реактивной мощности от тока возбуждения

При этом ток статора генератора в зависимости от тока возбуж­дения изменяется по U-образным кривым рис.4.3.

Изменение напряжения на выводах генератора приводит к изменению реактивной мощности. Для нормальной работы электрической системы в определенных ее точках необходимо иметь источники реактивной мощности. Для выработки реактивной мощности в известной мере используются синхронные генераторы и синхронные двигатели [4].

Н аряду с этим применяются машины специально для регулирования реактивной мощно­сти, у которых механический момент равен нулю и активная мощность синхронного компенсатора покрывается сетью. По существу синхронный компенсатор представляет синхронный двигатель, работающий вхолостую при механическом моменте на валу, равном нулю. Угол δ между напряжением и ЭДС генератора мал и в первом приближении принимается равным нулю.

Рис. 4.3. "U" - образные кривые синхронного компенсатора

4.3. Режим генератора и двигателя

При увеличении усилия на валу машины в сторону вращения (за счет увеличения подачи пара или воды в турбину) появится угол δ между напряже- нием и ЭДС генератора (рис.4.4). При этом образуется положительная составляющая тока статора ( I_a), совпадающая с напряжением U_г.

Вектор ЭДС Е_q , жестко связанный с ротором, будет опережать напряжение. Новый установившийся режим будет при таком δ, когда установится равенство моментов турбины и генератора на валу машины. Ротор при этом вращается с синхронной скоростью и генератор выдает активную мощность в сеть.

Е сли от исходного режима с δ = 0 на вал прикладывается ме­ханический момент, действую­щий против направления враще­ния, то в этом режиме E_q гене­ратора отстает от напряжения и δ < 0 (рис.4.5). Как видно из векторной диаграммы, возникает отрицательная составляющая то­ка статора I_а , совпадающая с на­пряже- нием. Синхронная машина в этом режиме работает двигате­лем [4].

Рис. 4.4. Направления активной и реактивной слагающих тока статора генератора

Р ежим генератора ха­рактеризуется по- ложительными зна- чениями угла δ,

режим дви­гателя со- ответствует отри- цатель­ным углам δ.

Рис. 4.5. Векторная диаграмма генератора в режиме двигателя

4.4. Регулирование активной мощности

Увеличение вращающего момента на валу генератора при­водит к увеличению угла между поперечной осью машины и синхронно вращающейся осью, совмещенной с вектором напряжения сети. Согласно угловой харак­теристике увеличение угла δ приводит к повышению отдаваемой генератором активной мощности и момента на валу генератора.

Вращающий момент, действующей в направлении вращения, изменяется посредст­вом воздействия на регуляторы турбины в сторону увеличения объема рабочего тела, поступающего в турбину. Обозначим через D количество рабочего тела, тогда можно представить изменение режима в следующем виде:

D↑→M_T↑→δ↑→M_эм↑→ P. (4.1)

В озрастание угла δ продолжается до тех пор, пока активная нагрузка генератора не увеличится до значения, уравновешивающего мощность турбины.

Так как вращающий момент турбины М_т не зависит от угла δ, то на угловых характеристиках (рис. 4.6) мощность турбины и момент можно представить в виде прямой линии, параллельной оси абсцисс.

Повышение активной мощности при неизменном токе возбуждения приводит к умень­шению реактивной мощности (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Регулирование активной мощности

Реактивная мощность Q может изменить знак, и тогда генератор потребляет ее из сети, вырабатывая активную мощность.

С казанное можно проследить, рассмотрев серию векторных диаграмм неявнополюсного генератора (рис. 4.7), из которых видно, что при положительном значении угла φ активная составляющая тока совпадает с напряжением, а реактивная - отстает, что соответствует режиму выработки активной и реактивной мощности.

Рис. 4.7. Семейство векторных диаграмм турбогенератора при I_f = const

При φ = - φ активная составляющая тока также совпадает с напряжением, а реак­тивная — опережает, что соответствует выдаче активной мощности в сеть и потреблению реактивной из сети.

Длительная работа машины возможна только при таких δ, при которых возрастание угла сопровождается увеличением тормозящего момента (активной мощности P_г) на валу шины. Это необходимо для того, чтобы могло восстановиться равновесие между мощностью турби­ны P_т и мощностью ге­нератора P_г, если оно поче­му либо нарушится.

При неизменном U и Е такое условие соответствует требованию, чтобы первая производная P по углу δ была больше нуля:

dP/dδ = d(E_q U sinδ / x_d) / dδ = (E_q U cosδ / x_d) ˃ 0

Эту мощность называ­ют синхронизирующей. Условие выполняется, ес- ли генератор работает на восходящей части характеристики Р =f(δ) (рис. 4.6).

Максимальный угол δ_m, соответствующий максимальной мощности Р_max, называют пределом статической устойчивости генерато­ра.

Чем больше ток возбуждения, тем больше Р_max и, соответственно, тем больше максимально возможная по условию устойчивой работы наибольшая длительная нагрузка генерато­ра.

В тех случаях, когда турбина допускает длительную нагрузку сверх номинальной, возможен режим гене­ратора с активной мощностью больше номинальной. При этом исходя из допустимой температуры обмотки статора, необходимо уменьшить выдаваемую реактивную мощ­ность Q , т.е. уменьшить ток возбуждения I_f. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению запаса статической устойчивости.

Чем меньше ток возбуждения, тем меньше δ , при котором Q = 0.

При cosδ больше отношения U/E_q генератор работает с малыми углами δ и выдает реактив­ную мощность в сеть, что соответствует нормальному режиму. При этом cosφ меньше единицы.

В случае, когда cosδ меньше отношения U/E_q, генератор потребляет реак­тивную мощность и работает менее устойчиво (углы велики).

Если ток возбуждения невелик т.е U ≈ E_q, рост угла δ быстро приводит к режиму потребления реактивной мощности из сети.

Во избежание этого практически одновременно с увеличением подачи пара увеличива­ют и ток возбуждения. При этом ЭДС возрастает, а, следовательно, и угол

δ = arcos (U/E_q) (4.3)

при котором Q = 0 также возрастает.

Поэтому в некоторых случаях устройство автоматического регулирования напряжения (АРН) настраивается так, чтобы cos φ оставался постоянным.

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ МОЩНОСТЕЙ

Основными параметрами генератора являются полная мощность S, напряжение U и ток I статора и, ток ротора I_f, коэффициент мощности cos φ, частота f, температура и давление охлаждающей среды t_охл и р_охл. При длительном установившемся номинальном режиме все эти параметры должны поддерживаться практически неизменными. При отклонении температуры и давления охлаждающей среды в сторону ухудшения охлаждения длительно допустимые токи статора и ротора должны быть уменьшены настолько, чтобы тепловой режим генератора остался неизменным и температура его отдельных элементов практически сохранила свое установившееся значение.

Под нормальными режимами генератора подразумевают такие режимы, в которых он может работать без ограничений по времени. К таким режимам относится, прежде всего, номинальный режим, для которого генератор предназначен и который указан на его щитке.

К нормальным относятся также все режимы с неполной (частичной) нагрузкой и режимы с переменной регулируемой нагрузкой при условии, что в процессе изменения нагрузки основные параметры генератора не отклоняются за допустимые пределы. Под нормальными условиями здесь понимается прежде всего соблюдение расчетных условий охлаждения машины, поскольку длительность установившегося режима работы генератора ограничивается главным образом его нагревом.

Температура входящей в газоохладитель воды и выходящего из него газа (воздуха или водорода), а также - в случае непосредственного охлаждения - температура охлаждающей жидкости (дистиллята или масла) должна соответствовать нормам (у дистиллята 33, у масла 40°С). Заводским требованиям должны соответствовать избыточное давление водорода и его чистота (98 %).

Температуру меди и стали генератора считают неизменной, если ее отклонения от установившегося значения не превышают 1°С в течение 1 ч. Температура охлаждающей среды, чтобы считаться неизменной, также не должна отклоняться более чем на 1°С за 1 ч для газа и на 0,5°С за 1 ч для жидкости (ГОСТ 533—85Е).

В мощных машинах со смешанным водородно-водяным охлаждением статора повышение нагрузки при уменьшении температуры охлаждающей среды не допускается, так как температуры газа и воды могут изменяться независимо друг от друга и затруднить контроль нагрузок настолько, что нагрузка генератора из-за неправильной оценки условий охлаждения может быть увеличена до недопустимых значений.

В машинах с косвенным и непосредственным охлаждением обмоток следует учитывать недопустимость длительной перегрузки генераторов по току при изменении давления водорода (рис. 1-31). Из приведенных зависимостей следует также, что при понижении давления водорода нагрузка генератора должна понижаться.

П араметры считают практически неизменными в том случае, если их изменения, неизбежные в эксплуатации, находятся в заданных пределах отклонений, практически не влияющих на режим генератора. Например, нагрузка генератора считается неизменной, если отклонения тока и напряжения статора от установившегося значения находятся в пределах + 3 %, а тока возбуждения и частоты - в пределах ±1 %.

Рис. 1-31, Нагрузка генераторов ТВФ, ТГВ и ТВВ в зависимости от давления водорода

Напряжение генератора должно быть практически симметричным и синусоидальным, т.е. напряжение обратной последовательности не должно превышать 1%, а коэффициент синусоидальности 5 %. Отклонения напряжения статора допускаются в пределах ±5 %, и при этом генератор должен длительно работать с полной номинальной мощностью, хотя для достижения этой мощности при 95 % напряжения повышается ток статора, а при 105 % - соответственно ток ротора.

Допустимость понижения напряжения больше чем на 5 % обязательно проверяется с точки зрения устойчивости, и если при этом генератор будет обладать достаточным запасом устойчивости (не менее 10 %), то все равно мощность его должна быть снижена, поскольку ток статора по условиям нагрева обмотки статора не следует повышать сверх 105 % номинального.

Повышение напряжения сверх 105 % также опасно, ибо вследствие насыщения стали в современных генераторах даже незначительный подъем напряжения выше, допустимого приводит к возрастанию магнитной индукции, резкому (в несколько раз) увеличению потоков рассеяния и появлению в ребрах корпуса генератора и в других конструктивных элементах очень больших паразитных токов, вызывающих дополнительный нагрев и даже оплавление этих элементов. Вследствие этого нагрузка генератора при повышении напряжения сверх 105 % должна понижаться.

Некоторые типы генераторов допускают сохранение полной нагрузки при изменении напряжения до 110 %, но эта возможность должна быть обязательно проверена специальными испытаниями на нагрев активной стали и дополнительные потери в роторе и статоре. До таких испытаний рекомендуется изменять нагрузку генератора при отклонениях напряжения в соответствии рекомендациями завода-изготовителя генератора и картой допустимых отклонений эксплуатационных параметров (табл. 1).

Таблица 1 Карта допустимых отклонений эксплуатационных параметров

Напряжение, % номинального	110	108	106	105	100	95	90	85
Полная мощность., % номинальной	88	93,5	98	100	100	100	94,5	89
Ток статора, % номинального	80	87,5	92,5	95	100	105	105	105

Допустимый при эксплуатации диапазон изменения нагрузок удобней всего находится из диаграммы мощностей, как это показано на рис. 1-29 для ненасыщенного турбогенератора.

Влияние изменений частоты на потери и нагрев генератора сказывается лишь при значительных отклонениях частоты от нормы (больше ±2,5 %).

При понижении частоты потери в стали уменьшаются, но одновременно ухудшаются условия охлаждения водородом, что может привести к необходимости понижения мощности генератора из-за повышенного нагрева.

При повышении частоты, наоборот, растут потери в стали, но одновременно улучшаются условия охлаждения. Поэтому необходимость снижения мощности машины может возникнуть только при значительных повышениях частоты (2÷3 %). Так как изменения частоты, нормально допускаемые в эксплуатации, в соответствии с «Правилами технической эксплуатации» (ПТЭ) не должны превосходить ± 2%, уменьшения нагрузки генераторов при этих отклонениях частоты не требуется.

Диаграмма мощностей строится на основании векторной диаграммы ненасыщенного неявнополюсного генератора (см. рис. 5.2) [2, 6]. Умножив значения векторов U, jI_гx_d и ЭДС E_q на постоянный множитель, равный отношению U/x_d, получим векторную диаграмму (рис. 5.1).

П ри неизменном значении напряжения U на выводах генератора вектор E_q U/x_d пропорционален току возбуждения, а произведение тока на напряжение представляет собой полную кажущуюся мощность S, которая зависит от тока I_г статора. Проекции полной мощности S на оси координат определяют активную Р и реактивную Q мощности генера­тора при различных значениях cos φ и тока I_f возбуждения.

Рис. 4.9 Исходная векторная диаграмма для построения диаграммы мощностей турбогенератора

Р ис. 4.8. Диаграмма мощностей турбогенератора

Вектор ОА представляет собой полную мощность машины, а его проекция на ось ординат - ее активную составляющую при номинальном коэффициенте мощности - номинальную активную мощность генератор в нормальных условиях должен развивать неограниченно долго. Под нормальными условиями здесь понимается прежде всего соблюдение расчетных условий охлаждения машины, поскольку длительность установившегося режима работы генератора ограничивается главным образом его нагревом.

Чтобы исключить увеличение тока статора сверх номинального, через вершину вектора S проводится окружность с радиусом ОА (рис. 5.2). Для тока ротора, а следовательно, и ЭДС E_q с целью исключения перегрузки по току ротора проводится окружность с радиусом, равным E_qU /x_d. Наличие двух окружностей дает возможность выяснить зависимость располагаемой активной мощности от реактивной.

Точка А соответствует номинальному режиму работы генератора, вектор OA пропорционален номинальному току статора, а вектор E_q пропорционален номинальному току возбуждения, т.е. тем значениям, которые не могут быть превышены по условию допустимости теплового режима турбогенератора. Отсюда следует, что при изменении режима в сторону пониженных значений cosφ (увеличение реактивной мощности) конец вектора S (точка А) должен скользить вниз по дуге окружности радиусом Eq, образуя зону ограничения по нагреву ротора. Очевидно, что увеличение реактивной мощности возможно только за счет снижения активной.

Нагрузки, ограниченные участком окружности A-D, определяются допустимым в эксплуатации нагревом обмотки возбуждения. Нагрев обмотки возбуждения определяется только током ротора и практически не зависит от нагрузки статора. При работе на этом участке машина имеет пониженное значение коэффициента мощности по сравнению с номинальным, а также, пониженное значение S кажущейся мощности и тока I_г статора в связи с сильным размагничивающим действием реакции якоря. При насыщении эта мощность еще больше снизится. В чисто компенсаторном режиме генератор способен развивать лишь около 70 % полной мощности. Статическая устойчивость при работе с пониженным значением коэффициента мощности выше, чем в номинальном режиме, так как угол δ меньше номинального δ_н.

При работе генератора с повышенным значением cosφ (увеличение активной мощности против номинальной) точка А должна скользить вверх по дуге окружности радиусом Icrn, образуя зону ограничения по нагреву статора. Такое увеличение активной мощности возможно только за счет уменьшения тока возбуждения, в противном случае произойдет перегрузка по току статора. При работе с повышенными коэффициентами мощности (от номинального до единицы) полная мощность ограничена турбиной и конец вектора ОА будет перемещаться при изменении cosφ по прямой АВ. Если турбина способна повышать свою мощность сверх номинальной (как это имеет место, например, для теплофикационных машин типа КО и КОО), то в области режимов при повышенных коэффициентах мощности генератор сможет работать при номинальной полной мощности (участок диаграммы ААʹ).

Работа в режиме недовозбуждения все чаще практикуется в современных энергосистемах в часы провала нагрузки из-за избытков реактивной мощности и невозможности кратковременных остановок крупных генераторов. Такой режим осуществим только при автоматическом регулировании возбуждения, эффективном при работе с опережающим током статора. Но и при этом условии требуется уменьшение активной нагрузки генератора для обеспечения устойчивости в области низких cosφ (участок диаграммы мощности GF).

При работе генератора в режиме недовозбуждения (т.н. емкостной квадрант) возникают два ограничения:

• по устойчивости — угол φ приближается к значению 90° .

• по нагреву торцевых зон и лобовых частей;

Помимо обеспечения устойчивости параллельной работы для генераторов с непосредственной системой охлаждения обмоток в режиме недовозбуждения могут возникнуть дополнительные ограничения, связанные с нагревом крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов торцевых зон статора. Нагрев зависит от конструктивного исполнения торцевых зон и от величины линейных нагрузок. Практически эта зона представляет собой дугу, проведенную радиусом Z=1,1S из точки Е, как показано на диаграмме мощности (рис. 5)

Участок окружности АСЕ характеризуется работой генератора с номинальным значением кажущейся мощности и током статора при коэффициенте мощности больше номинального, но статическая устойчивость машины на этом участке ниже, чем в номинальном режиме, что является существенным основанием для ограничения мощности в этом режиме.

Диаграмма мощности содержит две части относительно прямой ОС, co­ответствующей работе генератора с коэффициентом мощности, рав­ным единице.

Зона справа от ОС характеризуется режимом с отстающим током статора, реакция которого является размагничивающей. Для компенсации последней необходимо увеличение тока возбуждения машины. При этом говорят, что машина работает с перевозбуждением.

Зона слева от ОС характеризуется режимами с опережающим намагничива­ющим током статора и об этих режимах говорят, что генератор работает с недовозбуждением.

Если турбина не может развивать мощность выше полной мощности генератора, то на диаграмме проводится прямая, параллельная оси Q, которая определяет значение актив­ной нагрузки генератора, соответствующее возможностям турбины (P_т).

а) ограничение нагрузки генератора по условиям обеспечения устойчивой параллельной работы

При работе в емкостном квадранте в режимах с недовозбуждением (влево от прямой 0B) активная мощность генератора ограничивается устойчивостью его работы.

При работе в области недовозбуждения одним из факторов, ограничивающих нагрузки, является условие обеспечения устойчивой параллельной работы машины с сетью, так как в этих режимах предел статической устойчивости оказывается близким к активной нагрузке генератора [2]. Поэтому на практике при работе с недовозбуждением стремятся иметь некото­рый запас по статической устойчивости за счет возможностей автоматического регулирования и ограничения мощности генератора. На участке GE при δ = 90° активная нагрузка машины и предел статической устойчивости одинаковы. Работа в таком режиме невозможна, так как угол δ равен 90°. Способы ограничения такого режима могут быть различными. В простейшем случае принимается, что предел мощности на 10 % превышает нагрузку при том же токе возбуждения I_f, т.е. отрезок HN = HК и KN’ =0,1.

В соответствии с этим условием допустимые нагрузки генератора в режимах недовозбуждения ограничиваются на диаграмме кривой FH. Построение зоны ограничения при этих условиях производят следующим образом: так как каждой точке прямой GE при δ = 90° соответ­ствует предел статической устойчивости, то в единицах оси Р проводят прямую, перпендикулярную ей, например в точке N’ до пересечения с прямой GE. Отложив 0,1 Р получим точку К, затем окружностью радиуса GК получим зону ограничения мощности в точке N.

Для другого значения тока возбуждения, например, в точке Т', оси Р проведем прямую, перпендикулярную прямой GE и отложив 0,1 Р, получим точку П. Пересечение дуги радиусом GП с перпендикуляром через точку Т' получим зону ограничения мощности в точке Т. При этом отрезок GТ равен GП. Таким образом, получим кривую FH, ограничивающую режим работы генератора при недовозбуждении по условиям статической устойчивости.

б) ограничение режима работы генератора по условию нагрева торцевых зон статора

Помимо обеспечения устойчивости параллельной работы применительно к турбогенераторам с непосредственным охлаждением обмотки могут возникнуть дополнительные^; ограничения, связанные с нагревом крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов торцевых зон статора в режиме недовозбуждения [2]. Этот дополнительный нагрев обусловлен повышенной результирующей индукцией в торцевых зонах, что объясняется слабой магнитной связью обмоток статора и ротора в этих зонах и недостаточной компенсацией потока рассеяния статора потоком ротора.

Повышение нагрева обусловливается возрастанием результирующей магнитной индук­ции в концевых областях машины при сложении полей лобовых частей обмоток статора и ротора в режимах с коэффициентом мощности, близким к единице, и особенно при переводе генератора на работу с опережающим током статора.

Интенсивность полей и соответствующие им уровни потерь и нагрев в нормальных режимах недовозбуждения зависят от конструктивного выполнения торцевых зон. С уве­личением линейной нагрузки уровни потерь увеличиваются. Поэтому нагрев крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов торцевых зон у генераторов с непосредственным охлаждением оказывается большим цо сравнению с нагревом у генераторов с косвенным охлаждением.

Характер и структура магнитных полей торцевых зон турбогенератора существенно отличается от характера и структуры поля в пазовой части машины. Поля торцевых зон образуемые лобовыми частями обмоток вынуждены замыкаться по путям, проходящим в газовой среде. Поэтому магнитная связь между обмотками оказывается весьма слабой.

Магнитные поля основной гармонической в торцевых зонах имеют радиальные, аксиальные и тангенциальные составляющие (рис. 5.3). Величины составляющих индукции, соответствующие токам в любых частях обмотки, изменяются по мере удаления от торцевых поверхностей статора и бочки ротора. Приблизительно можно считать, что потери в крайних пакетах активной стали статора и нагрев в основном зависят от результирующей аксиальной составляющей индукции, а именно, от наибольшего ее значения в области зубцов, ближайших к расточке статора.

Рис. 5.3. Магнитные поля основной гармонической индукции в торцевых зонах генератора: 1 — лобовые части обмотки статора; 2—лобовые части обмотки ротора; 3 — на- жимная плита; 4 — крайние пакеты стали статора; 5 — ротор.

Ограничения на этом участке зависят от системы возбуждения и АРВ, которые в некоторых случаях могут обеспечивать устойчивую работу генераторов в области искусственной устойчивости с углом δ больше 90°.

5.5. Карта допустимых нагрузок

Для определения допустимых нагрузок в режимах перевозбуждения в практике эксплуатации пользуются не диаграммой мощностей, а так называемой картой допустимых нагрузок, позволяющей одновременно оценить влияние на нагрузку температуры охлаждающей среды, напряжения и cosφ нагрузок [2, 6]. Такие карты составляются для каждой машины на основании специальных эксплуатационных испытаний на нагрев. Исходными условиями для их составления являются сохранение полной мощности генератора при отклонении напряжения на ±5 %, увеличение мощности при снижении температуры охлаждающей среды и уменьшение мощности при повышении температуры этой среды. Допустимые нагрузки турбогенераторов в режимах недовозбуждения приведены в табл. 1-4.

Таблица 1-4. Допустимые нагрузки в режимах недовозбуждения.

Тип генератора	Допустимая потребляемая реактивная мощность, Мвар, при активной нагрузке, % Рн
	100	95	90	80	60	40
ТВФ-60-2: Рн = 60 МВт; cos φн = 0,8; Uн = 6,3 кВ; избыточное давление водорода 0,2 МПа	13	16	18	23	31	37
ТВФ-60-2: Рн = 60 МВт; cos φн = 0,8; Uн = 10,5 кВ; избыточное давление водорода 0,2 МПа	16	20	22	28	37	42
ТВФ-100-2: Рн = 100 МВт; cos φн = 0,85; Uн = 10,5 кВ; избыточное давление водорода 0,2 МПа	16	20	22	28	37	42
ТВВ-165-2: Рн = 150 МВт; cos φн = 0,85; Uн = 18 кВ; избыточное давление водорода 0,3 МПа	27	32	35	41	50	54
ТВ В-200-2: Рн = 200 МВт; cos φн = 0,85; Uн = 15,75 кВ; избыточное давление водорода 0,3 МПа	22	34	39	47	62	74
ТВВ-320-2: Рн = 300 МВт; cos φн = 0,85; Uн = 20 кВ; избыточное давление водорода 0,35 МПа	48	54	60	72	90	108
ТГВ-200: Рн = 200 МВт; cos φн = 0,85; Uн = 15,75 кВ; избыточное давление водорода 0,3 МПа			18	40	57	69

Примечание. Турбогенераторы ТГВ-200 не допускают работу в режиме потребления реактивной мощности при активной нагрузке, равной 95 % номинальной и выше, при этом отдаваемая реактивная мощность при активной нагрузке 200 МВт должна быть не менее 20 Мвар.

Турбогенераторы ТГВ-300 допускают работу с минимальной нагрузкой я cos  φ = 1.

В табл. 1-5 и 1-6 приводятся для иллюстрации карты нагрузок (в амперах) генераторов ТВФ-60-2 (U = 6,3 кВ, давление водорода р_вод = 0,2 МПа) и ТВВ-300-2 (U = 20 кВ, р_воды = 0,35 МПа).

Следует учитывать также возможность длительной перегрузки генераторов по току при изменении давления водорода. При уменьшении давления водорода нагрузка должна быть снижена, как это видно из табл. 5.

Таблица 5.2

Обмотка ТВВ-320-2	кВ	Допустимые нагрузки А при температуре охлаждающего газа, ОС
		40 и ниже	41. ..45	40...50	51...55
Статор	21	10100	9700	9100	8550
	20	10100	10200	9600	9000
	19	11100	10700	10100	9450
Ротор	21	2925	2830	2720	2630
	20 и ниже	2900	2800	2690	2580

В машинах со смешанным водородно-водяным охлаждением статора повышение нагрузки при уменьшении температуры охлаждающей среды не допускается, так как температуры газа и воды могут изменяться независимо друг от друга и затруднить контроль нагрузок настолько, что нагрузка генератора из-за неправильной оценки условий охлаждения может быть увеличена до недопустимых значений.

У турбогенераторов, роторы которых имеют водяное охлаждение, ток ротора при повышении давления дистиллята на входе допускается повышение по отношению к номи­нальному. Например, допустимая токовая нагрузка ротора турбогенератора ТВМ-300 при повышении давления дистиллята может изменяться в пределах, приведенных в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Давление дистиллята	1,2	1,5	1,8	2,2
Ток ротора, процент от номинального	100	110	120	125

При этом температура дистиллята на выходе из обмоток не должна превышать 85°С. В случае изменения температуры дистиллята на входе выше 45°С нагрузка генератора должна быть снижена, чтобы удержать температуру дистиллята на выходе не выше 85°С. При уменьшении температуры дистиллята на входе ниже 35°С повышение нагрузки не допускается.

Нагрузка генераторов, работающих в режиме регулирования графика, изменяется в широких пределах и с большой скоростью. Кроме того, в ночные часы эти генераторы разгружаются до минимума, составляющего обычно 35...45 % номинальной нагрузки, и часто переводятся в режим недовозбуждения для компенсации избытков реактивной мощ­ности в системе.

При одинаковых нагрузочных условиях обмотки и сердечник статора машин с водяным охлаждением имеют значительно меньшее превышение температуры обмоток статора и ротора и поэтому колебания температуры этих элементов при изменении нагрузки мень­ше, чем у генераторов, охлаждаемых водородом. Отсюда более низкие темпы старения изоляции и наименьший механический износ при частых пусках и изменениях нагрузки, а следовательно, большая надежность и долговечность таких машин.

6. АСИНХРОННЫЙ РЕЖИМ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

6.1. Общие положения

При параллельной работе в составе энергосистемы возможны два вида асинхронного режима работы:      1) асинхронный режим с возбуждением;      2) асинхронный режим при потере возбуждения. 

Первый режим возникает в энергосистеме при нарушении устойчивости параллельной работы по тем или иным причинам, когда угол между векторами напряжения двух источников меняется в пределах от 0 до 360°, т.е. имеют место несинхронные повороты ротора относительно статора. В этом случае возникает асинхронный ход с возбуждением всех генераторов данной станции по отношению к системе.

В рамках данного курса больший интерес имеет режим работы какого-то одного турбогенератора без возбуждения в течение какого-то ограниченного времени по отношению к системе. Этот режим и принято называть асинхронным режимом генератора.

Потери возбуждения могут возникнуть по следующим причинам:

• неправильное отключение авто­мата гашения поля (АГП) с замыканием обмотки возбуждения на дугогасительное сопротив­ление;

• разрыв цепи возбуждения;

• повреждение в системе АРВ, при этом обмотка возбуждения остается замкнутой на возбудитель.

Во всех указанных случаях исчезает полностью или становится очень малым синхрон­ный момент и происходит сброс нагрузки турбогенераторов.

При нарушении в системе возбуждения часто можно быстро устранить неисправность, в крайнем случае перейти на резервное (на электростанциях обязательно есть резервный возбудитель), поэтому предпочтительнее все же оставить генератор в работе, пока ликвидируется неисправность или происходит переход на резервный возбудитель.

В начальный момент полной или частичной потери возбуждения условия работы тур­бины не меняются, т.е. вращающий момент остается постоянным. С уменьшением тормо­зящего синхронного момента турбогенератора М_т появляется избыточный момент, вызываю­щий увеличение скорости вращения. Частота вращения ротора турбогенератора становит­ся больше синхронной, возникает скольжение s_a и асинхронный момент М_ас. Из-за запаздывания действия регулятора турбины асинхронный момент может оказаться больше момента турбины. При этом происходит торможение ротора генератора. После ряда колебаний установится равновесие между моментом турбины и асинхронным моментом генератора (точка а на рис. 6.1).

Рис. 6.1. Характеристики асинхронного момента генератора и регулирования турбины

Рис. 6.2. Соотношения между характеристиками регулирования турбины и асинхронным моментом

В таком режиме турбогенератор выдает активную мощность в сеть, а реактивная мощность потребляется из сети. Значение нагрузки, при которой наступает установившийся режим, зависит от харак­теристики регулирования турбины и характеристики асинхронного момента [1, 2, 3].

Если асинхронный момент М_ас турбогенератора имеет "жесткую" характеристику, т.е. даже при зна­чительном увеличении тормозящего момента М_т скольжение s мало, а максимальный момент велик, то равновесие моментов наступает при малых скольжениями и генератор уменьшает нагрузку незначительно (рис. 6.2).

Если же кривая асинхронного момента такова, что при сравни­тельно малом изменении момента скольжение меняется значительно, или, если макси­мальный асинхронный момент меньше момента турбины в исходном режиме, то равновесие может наступить только при повышенных значениях скольжения (рис. 6.2). В этом случае за счет регулирования турбины активная нагрузка в асинхронном режиме будет существенно ниже предшествующей.

При переходе в асинхронный режим без возбуждения ток статора и потребление из сети реактивной мощ­ности с увеличением скольжения возрастают за счет увеличения реактивной составляющей. Этот режим сопровождается снижением напряжения на выводах машины и, соответственно, на шинах повышенного напряжения.

Прохождение наведенных токов по зубцам, бочке ротора и клиньям вызывает потери в роторе, значение которых пропорционально электромагнитному асинхрон­ному моменту и скольжению. С увеличением скольжения глубина проникновения токов в ферромагнитное тело ротора и в немагнитные клинья уменьшается, а эквивалентное сопротивление ротора и уровень потерь возрастают. Кроме этого, возрастает и неравно­мерность нагрева ротора, в результате чего возможно чрезмерное повышение температу­ры, особенно в области торцов бочки ротора, где замыкаются наведенные токи.

В силу указанных причин работа турбогенератора в асинхронном режиме с сохранением доли активной мощности оказывается допустимой только при наличии в системе достаточного резерва реактивной мощности для поддержания напряжения на приемлемом уровне.

Для генераторов с косвенным охлаждением допускается работа в асинхронном режиме при­мерно тридцать минут, а для генераторов с непосредственным охлаждением — пятнадцать минут.