pdf.php@id=6159.pdf

некоторый угол 0 (рис. 35-5, в). При этом возникнет ток / [см. ра­ венство (35-2)], отстающий, как и ранее, от АО = Ё — О на 90°. Но, как следует из рис. 35-5, в, в данном случае — 90° < ф < 90° и

Р= т01 соь ф > 0 ,

т.е. машина отдает в сеть активную мощность.

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э. д. с. Ё отстанет от О на неко­ торый угол 0, ток / будет отставать от О на угол 90° ■< Ф < 270°. При этом мощность машины Р = т1Л соз ф < 0 и машина будет работать в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети (рис. 35-5, а).

б) в$>0

Рис. 35-6. Характер магнитного поля в воздушном зазоре при работе синхронной машины на холостом ходу (я), в режиме генератора (б)

и двигателя (в)

Как следует из рис. 35-5, в и г, у генератора вектор О отстает от вектора Ё, а у двигателя — наоборот. Угол нагрузки 0 в пер­ вом случае будем считать положительным, а во втором — отри­ цательным.

Характер магнитного поля в зазоре между статором и ротором в режимах генератора и двигателя изображен на рис. 35-6. У гене­ ратора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверх­ ности статора на угол 0а (см. рис. 33-1 и 33-4) вперед, по направ­ лению вращения (0а > 0 ) , а у двигателя — против направления

момента М и направление его действия согласно рис. 35-6 можно объяснить также тяжением магнитных линий.

Преобразование энергии в синхронных машинах нормальной конструкции, с вращающимся индуктором и возбудителем на об­ щем валу, иллюстрируется энергетическими диаграммами рис. 35-7, где рнх — механические потери, рв — потери на возбуждение синх­ ронной машины, включая потери в возбудителе, рд — добавочные потери от высших гармоник поля в стали статора и ротора, рт — основные магнитные потери и рал — электрические потери в об­ мотке якоря. Для генератора Рх — потребляемая с вала механиче­

ская мощность и Р2— отдаваемая в сеть электрическая мощность, а для двигателя Рг — потребляемая из сети электрическая мощ­ ность и — развиваемая на валу механическая мощность. Электро­ магнитная мощность Р 9М передается с помощью магнитного поля с ротора на статор в режиме генератора и в обратном направлении — в режиме двигателя. Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механические потери возбуди­ теля включаются в потери рмХ.

Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тор­ мозящего механического момента на валу синхронная машина обладает свойствами саморегулирования и способностью до извест­ ных пределов сохранять

вать тормозящий электромагнитный момент М. При этом величины 0, Р и М будут расти до тех пор, пока не наступит равновесие моментов М„ = М на валу. Одновременно с этим восстановится также баланс между потребляемой с вала механической мощ­ ностью, отдаваемой в сеть электрической мощностью и потерями в машине. В случае приложения к валу тормозящего момента М„ (рис. 35-5, г) угол 0 будет расти по абсолютной величине также до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов на валу и баланс мощностей.

Все изложенное выше действительно также для явнополюсной машины с той лишь разницей, что диаграммы рис. 35-5,.в и г будут несколько сложнее.

На рис. 35-5, в и г Е — II. Как видно из этих рисунков, при этом ток I будет иметь также некоторую реактивную составляющую. Если изменить ток возбуждения так, что будет Е ^ II, то при сохранении активной мощности это вызовет изменение реактив­ ного тока и реактивной мощности (см., например, рис. 33-1, 33-2 и 33-4).

Параллельная работа синхронных генераторов на сеть ограни­ ченной мощности. В ряде случаев мощность отдельного генератора составляет значительную часть мощности всех генераторов системы.

Вдругих случаях станция с несколькими генераторами соединена

смощной системой через длинную линию передачи. Хотя в этих условиях установленные выше общие положения также сохра­ няются в силе, однако при этом изменение режима работы одного генератора оказывает все же заметное влияние на режим работы других генераторов.

Для выяснения особенностей параллельной работы в этих усло­ виях допустим, что параллельно на общую сеть работают два гене­ ратора одинаковой мощности, снабжая электроэнергией группу потребителей (см. рис. 35-2). Если, например, увеличить одновре­ менно токи возбуждения /д, 1/2 этих генераторов, то напряжение II обоих генераторов и всей сети возрастет. При увеличении II в об­ щем случае возрастет также реактивная мощность потребителей, например асинхронных двигателей. При 1д = г'д эта мощность распределится поровну между обоими генераторами.

Если увеличить только г‘д, то II также возрастет, но в мень­ шей степени. В то же время реактивная мощность генератора Г1 увеличится, а генератора Г2 — уменьшится. При увеличении «д для сохранения II = сопз! ток (д другого генератора нужно уменьшить. При этом реактивная мощность генератора Г1 возрастет, а генера­ тора Г2 — уменьшится.

Таким образом, в системе ограниченной мощности для повыше­ ния напряжения сети необходимо увеличивать токи возбуждения всех генераторов, а для перераспределения общей реактивной мощности между отдельными генераторами при II = соп$1 нужно токи возбуждения одних генераторов увеличивать, а других — уменьшать.

Если увеличить вращающие моменты или мощности первичных двигателей всех генераторов в системе ограниченной мощности, то скорость вращения этих двигателей и частота сети будут возрастать. При этом повысится также мощность потребителей, например, в ре­ зультате повышения скорости вращения асинхронных двигателей. Повышение частоты будет происходить до тех пор, пока не насту­ пит баланс мощностей между первичными двигателями и потреби­ телями с учетом потерь в генераторах и сети. Для сохранения / = сош1 при увеличении мощности первичного двигателя одного генератора мощность первичного двигателя второго нужно умень­ шить. При этом происходит перераспределение активных мощно­ стей.

При недостатке генерируемой активной мощности в системе частота / будет падать, что нарушит нормальное энергоснабжение потребителей. При недостатке генерируемой реактивной мощности

в системе (невозможность поддерживать на необходимом уровне реактивную мощность генераторов электростанций и синхронных компенсаторов во избежание перегрузки их током) напряжение системы будет падать, при определенных условиях даже катастро­ фически (так называемая лавина напряжения). Поэтому сохране­ ние баланса реактивных мощностей в системе не менее важно, чем сохранение баланса активных мощностей.

§ 35-3. Угловые характеристики мощности синхронных машин

Вывод формулы угловой характеристики активной мощности.

Как было установлено выше, мощность синхронной машины Р зави­ сит от угла нагрузки е между векторами э. д. с. Ё и напряжения

зависимости позволяет выяснить ряд важных свойств синхронной машины. Выведем математическое выражение для угловой харак­ теристики мощности, приняв га = 0, так как это сопротивление весьма мало влияет на вид угловой характеристики.

Спроектируем на рис. 33-3 векторы э. д. с., напряжений и па­ дений напряжения на направление вектора Ё и на направление, перпендикулярное ему. Тогда получим

Учитывая, что, согласно рис. 33-3, ф = ф — 0, для мощности генератора имеем

Р = тШ со8 ф = тШ соз (ф —0) = т11 (/ созф соз0 + 1 8 т ф зт 0 ) =

или

(35-4)

Дб при данном режиме, и значение Е по спрямленной насыщенной х. х. х., соответствующей этому же значению Е&. Учитывая, что значение хаа1 относительно мало, можно принять Е&« II. Равен­ ством (35-4) можно пользоваться также тогда, когда под V пони­ мается напряжение не на зажимах машины, а в какой-нибудь более удаленной точке линии, соединенной с машиной (например, за по­ вышающим трансформатором, на приемном конце линии и т. д.). В этом случае в величины ха и хч нужно включить также индуктив­ ное сопротивление линии до рассматриваемой точки. Угол на­ грузки 0 во всех случаях измеряется между э. д. с. от поля воз­ буждения генератора Е и рассматриваемым напряжением Ч.

Неявнополюсная машина. Понятие о статической устойчивости.

возбуждения генератора не изменяется. Для простоты предполо­

При указанных предположениях Р = / (0), согласно равен­ ству (35-5), представляет собой синусоиду (рис. 35-8, а). Полу­ волны Р > О соответствуют генераторному режиму работы и полу­ волны Р < 0 — двигательному. Как следует из рис. 35-8, а, при беспрерывном изменении 6 синхронная машина попеременно перехо­ дит из генераторного режима работы в двигательный и обратно. Такое изменение 0 означает, что ротор машины вращается несинх­ ронно — несколько быстрее или несколько медленнее поля реак­ ции якоря. Зависимость Р = / (0) на рис. 35-8, а при этом дей­ ствительна только при бесконечно медленном изменении е, когда в результате несинхронного вращения ротора в цепях индуктора не индуктируется никаких токов.

Изменение угла 6 на величину 2я означает, что ротор машины передвинулся относительно поля статора на два полюса. Режим

работы машины при этом, как это ясно из физических соображений, равенств (35-4), (35-5) и рис. 35-8, а, не изменяется. Поэтому до­

периоды синусоидальной кривой симметричны, то свойства синх­ ронной машины в двигательном и генераторном режимах анало­ гичны. Поэтому ниже рассмотрим режим генератора (рис. 35-9).

Согласно рис. 35-9, при увеличении Р от нуля угол 0 будет расти от 0 = 0 и при критическом угле нагрузки 0кр = 90° дости­ гается максимальная мощ­ ность Р = Рт, которую способен развить генера­ тор. На основании выраже­ ния (35-5) для неявнопо­

люсной машины

(35-6)

Как видно из ства (35-6), Рт тем больше,

чем больше Е или ток воз­ буждения машины, чем больше I/ и чем меньше*,*. По этой причине-с целью уменьшения хл в синхрон-

ных машинах зазор выполняется болыпе, чем в асинхронных машинах.

В установившемся режиме работы генератора механическая' мощность Рп д, развиваемая первичным двигателем, равна электри­ ческой мощности Р, отдаваемой генератором в сеть, т. е. Рп д = Р. При этом под Р п.д следует понимать мощность первичного двига­ теля за вычетом механических и магнитных потерь в генераторе (при га = 0 электрические потери в якоре равны нулю). Мощность Р„ д не зависит от угла 0 и поэтому изображена на рис. 35-9 гори­ зонтальной прямой, которая пересекается с характеристикой элект­ рической мощности Р = [ (0) в точках / и 2. В этих точках РПшд = Р, и, следовательно, обе они могли бы соответствовать нормальному установившемуся режиму работы. Однако устойчивой является только работа в точке 1.

Действительно, если при работе в точке 1 рис. 35-9 в резуль­ тате небольшого случайного преходящего возмущения угол 0 уве­ личится на Д0, то электрическая мощность генератора превысит

мощность первичного двигателя на АР. Вследствие этого на валу будет действовать избыточный тормозящий электромагнитный мо­ мент

шаться, и восстановится устойчивый установившийся режим работы в точке 1. Если при работе в точке 1 угол 0 в результате случай­ ного возмущения уменьшится, то при прекращении действия этого возмущения генератор также вернется в режим работы в точке 1.

то вследствие нарушения баланса мощностей этот угол будет

Рассмотренные здесь вопросы относятся к области так называе­

больших возмущений режима работы (небольшое изменение I/, Рп д, I) и т. д.) изменения режима работы (величина 0, Р и т. д.) также будут небольшими и при прекращении действия этих воз­ мущений восстановится прежний режим работы. Из сказанного

выше следует, что режим работы синхронной машины статически устойчив, если

так как в нормальных машинах э д с. от остаточного магнитного потока пренебрежимо мала. В этом случае на основании выраже­ ния (35-4)

(35-10)

Зависимость Р = / (0), согласно равенству (35-10), представляет собой синусоиду с удвоенной частотой (рис. 35-8, б).

Из равенства (35-10) и рис. 35-8, б следует, что явнополюсная машина в состоянии развивать мощность при синхронном режиме

Рис 35-10 Картины магнитного поля невоз­ только поток реакции яко­

ха — Хд, положение ротора относительно вращающегося поля ре­ акции якоря безразлично, поэтому машина не развивает электро­ магнитного момента и мощности. В явнополюсной машине ротор стремится занять по отношению к вращающемуся полю положение, при котором сопротивление магнитному потоку и энергия магнит­ ного поля минимальны. Если при этом приложенный к валу момент

ментом, то положение ротора относительно поля смещается, 0 ^ 0

и в машине развиваются электромагнитный момент и активная мощ­ ность (рис. 35-10, в). Так как сам ротор не намагничен, то поворот ротора относительно поля на 180° не приводит к изменению ре­ жима, как это и следует из рис. 35-8, б.

У невозбужденной явнополюсной машины электромагнитный момент развивается исключительно вследствие действия поля реакции якоря при наличии неравномерности воздушного зазора (Ха Ф хд) и называется поэтому р е а к т и в н ы м (см. также § 25-4).

Рис. 35-И. Векторные диаграммы реактивной синхронной ма­ шины при работе на холостом ходу (а), в режиме генератора (б)

и двигателя (в)

Реактивный режим работы может возникнуть, например, в слу­ чае, когда при параллельной работе с сетью явнополюсный гене­ ратор по какой-либо причине теряет возбуждение (неисправность возбудителя, ложное срабатывание автомата гашения поля и т. д.) и был при этом слабо загружен. Последнее обстоятельство суще­ ственно потому, что предельная мощность, которую может развить генератор в этом режиме, невелика. Действительно, по формуле (35-10) в относительных единицах получим

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

/ = 1Лха

и, напримерг при V * = 1 и Ха* = 1,1 будет /* = 0,91.

Строятся также синхронные двигатели малой мощности, лишен­ ные обмотки возбуждения и называемые реактивными (см. § 41-3).

На рис. 35-11 изображены

так и за счет реактивного электромагнитного момента. На рис. 35-12 изображены кривые 1 т 2 обеих составляющих мощности и кривая 3 суммарной мощности.

Максимальная мощность и предел устойчивости работы в данном случае наступают при критическом угле 0кр, значение которого опре­ деляется равенством