19. Работа см при несимметричных режимах

Физические особенности несимметричных режимов

Рассмотрим физические особенности несимметричных режимов на примере короткого замыкания. На роторе имеется только одна обмотка возбуждения, а на статоре – только одна короткозамкнутая фазная обмотка. Оценим частотный спектр токов, индуцированных в обмотках статора и ротора, и обусловленные этими токами изменения магнитного поля в воздушном зазоре генератора.

Переменный ток основной частоты , индуцированный в короткозамкнутой обмотке статоре магнитным потоком возбуждения , будет создавать пульсирующее магнитное поле якоря. Представим его двумя полями- прямым и обратным, вращающимися с одинаковой частотой

Прямо вращающееся магнитное поле якоря неподвижно по отношению к ротору и образует с потоком возбуждения единое магнитное поле, необходимое для электромеханического преобразования энергии. Обратное поле вращается с частотой ₁ по отношению к ротору, индуцируя в его обмотке возбуждения переменный ток удвоенной частоты ₁. Этот ток возбудит пульсирующее магнитное поле ротора, которое тоже представим двумя полями- прямо и обратно вращающимися с частотой ₁ по отношению к ротору.

Прямое поле ротора будет вращаться с частотой ₁ по отношению к статору, а обратное- с частотой ₁. Тогда прямое поле будет индуцировать в короткозамкнутой обмотке якоря ток утроенной частоты ₁, а обратное поле ротора образует единое магнитное поле с обратным полем якоря, вращающимся с частотой ₁. Логическая схема этих процессов представлена ниже, где указаны частоты индуцированных токов, а стрелками- обусловившие из электромагнитные связи.

Видно, что в рассматриваемом несимметричном режиме в обмотке статора индуцируется спектр токов нечётных гармоник, а в обмотке ротора – спектр токов чётных гармоник. Наличие такого количества гармоник тока и магнитного поля в зазоре создаёт воздействия на конструктивные элементы СГ:

1. Потери энергии и нагрев ротора.

2. Вибрации

3. Искажение симметрии напряжений. Перенапряжения.

Логическая схема формирования частотного спектра токов ротора и статора

Методы исследования несимметричных режимов:

Общим методом исследования несимметричных режимов является метод симметричных составляющих, при котором несимметричная система токов якоря раскладывается на 3 симметричные составляющие (прямую, обратную и нулевую), действие каждой из которых учитывается по отдельности.

Токи и сопротивления прямой последовательности

Пользуясь терминологией теории асинхронных машин, можно сказать, что скольжение s ротора синхронной машины относительно магнитного поля токов прямой последовательности статора (якоря) равно нулю. Принципиальной особенностью нормального режима работы СМ с токами прямой последовательности является то, что ротор машины вращается синхронно с полем токов прямой последовательности или полем реакции якоря, и поэтому это поле не индуцирует в цепях индуктора никаких токов. По этой причине сопротивления и определяются как статические, т.е. при отсутствии трансформаторных связей магнитного поля якоря с обмотками ротора.

Токи и сопротивления обратной последовательности.

Токи обратной последовательности создают магнитное поле реакции якоря обратной последовательности, которое вращается по отношению к статору с синхронной частотой вращения в обратном направлении, а по отношению к ротору, вращающемуся с синхронной скоростью в прямом направлении, — с удвоенной синхронной частотой вращения. Относительно этого поля скольжение ротора s₂ = 2.

Представим полное сопротивление фазной обмотки якоря для тока обратной последовательности в виде . Магнитная проводимость путей для обратного поля реакции якоря, возникающая в результате его вращения по отношению к несимметричному ротору, будет периодически меняться. Следовательно будет периодически изменяться и . В машине с демпферными обмотками будет наблюдаться изменение в пределах от (когда обратносинхронное поле реакции якоря ориентировано в направлении продольной оси ротора) до (когда оно ориентировано по поперечной оси ротора). В машине без демпферных обмоток диапазон изменения будет от до .

При усреднении магнитной проводимости получим: для машин с демпферными обмотками и для машин без демпферных обмоток.

При усреднении магнитного сопротивления получим: или

, соответственно, для машин с демпферными обмотками или без них.

Токи и сопротивления нулевой последовательности.

Токи нулевой последовательности обмотки статора I₀ создают в воздушном зазоре только пульсирующие поля гармоник v = 3, 9, 15 ... , а основная гармоника поля будет отсутствовать. Сопротивление нулевой последовательности: . Можно считать, что , если обмотка якоря выполнена с диаметральным шагом, и ,если шаг укороченный. Это происходит потому, что при укороченном шаге встречаются пазы, в которых полный ток нулевой последовательности оказывается равным нулю. Активное сопротивление нулевой последовательности в результате возникновения потерь, вызываемых гармониками поля в роторе, несколько больше активного сопротивления обмотки статора , но разность их невелика, и . Вращающий момент, создаваемый токами , практически равен нулю.

Обмотка статора синхронных генераторов обычно включается в звезду. Поэтому токи нулевой последовательности либо отсутствуют, либо весьма невелики.

В силу этого при несимметричной нагрузке синхронных генераторов, кроме токов прямой последовательности, практически существуют только токи обратной последовательности.