pdf.php@id=6159.pdf

Г л. 39] Колебания и динамическая устойчивость

и работа ЗА, соверш аемая этим моментом при изменении угла на <16,, равная

й А = Ш —

Р

идет на сообщение ротору во время его ускорения добавочной кинетической энергии этой ж е величины. Поэтому на участке кривой 1—3 ротор получает доба­ вочную кинетическую энергию

ние ротора продолж ается, Й становится меньше й с и в уменьш ается. П ри этом режим работы меняется от точки 4 к точке 3, в точке 3 Р = Р п. „ и торможение прекращ ается, но при этом Й < Йс, уменьшение в поэтому будет продолж аться и режим меняется от точки 3 к точке 2. Н а этом участке Р п. д < Р , поэтому рудет происходить ускорение ротора, Й будет расти, но уменьш ение в будет продол­

После этого ротор снова начинает ускоряться, рассмотренный цикл колебаний

рис. 39-8, а во время колебаний и, кроме того; пренебрегли успокоительным мо­ ментом Му, возникающим в результате того, что Й ф Йс. В действительности даж е при предположении Е'Л= с о т * момент ^ 0 и маш ина развивает мощ­

ность такж е за счет этого момента. Поэтому при движении от точки 2 на рис. 39-8, а к точке 4, когда Й > Йс и х < 0 (режим асинхронного генератора), характеристика Р = / (0) пойдет несколько выше кривой б, ускорение на участке 2—3 будет

под воздействием Му размах, или амплитуда, колебаний будет беспрерывно уменьш аться до тех пор, пока эти колебания не затухнут полностью и при Е'а =

= с о т * не наступит установивш ийся режим работы в точке 3, когда Р = Р„. д. Х арактер колебаний при этом имеет вид кривых на рис. 39-2 и 39-3.

Н а самом деле предположение Е'а= с о т * с достаточной точностью действи­

кривой в на рис. 39-8, б, которая соответствует равенству (39-4) и расположена ниже кривой а, так как при отключении одной линии на схеме рис. 39-7 хй и х„ увеличатся. Поэтому колебания в действительности происходят вдоль штриховой кривой рис. 39-8, о и установившийся режим наступает в точке 7 кривой в. Колебания при этом такж е имеют характер, изображенный на рис. 39-2 и 39-3. Однако если, согласно выражению (35-4), установившемуся режиму вместо кривой в рис. 39-8, б будет соответствовать кривая г этого ж е рисунка, то ма­ шина, сохраняя синхронизм в течение первого периода колебаний, выйдет из синхронизма в течение последующих циклов колебаний, так как максимальная

достаточна и, хотя на участке 346 ротор тормозится, в- точке 6 скорость (2 будет

Рис. 39-9. Графики изменения угла нагрузки ири вы­ падении синхронной машины из синхронизма в про ­ цессе колебаний (о) и во время первого полупериода колебаний (б)

еще больше синхронной !ЭС н угол в в точке 6 будет продолжать увеличиваться.

будет беспрерывно расти, маш ина выпадет цз синхронизма и перейдет в возбуж ­ денный асинхронный режим работы, когда генераторные режимы будут чередо­ ваться с двигательными. В этом случае выпадение из синхронизма произойдет

мических нарушений не регулируется. Ясно, однако, что если в самом начале ди­ намического наруш ения быстро увеличить, то Е и Е’л увеличатся и поэтому

кривые 6> в, г на рис. 39-9, а и б располож атся выше. Во-первых, при этом умень­ шится амплитуда колебаний угла 0 .

Во-вторых, при достаточно большом увеличении (д, можно избеж ать вы­ I падения машины из синхронизма.

Кроме того, нетрудно заклю чить такж е, что целесообразно регулировать величину (/о во время колебаний в зависимости от изменения 0 . При этом, напри­ мер, во время первого полупериода колебаний, при изменения угла 0 иа рис. 39-8, « от 0 = 01 до 0 = 0д, надо //о увеличивать, а во время второго полу* периода, от точки 4 до точки 2, — уменьшать. При этом размах колебаний ♦ уменьшится.

При подобном ж е регулировании 1/а в последующих циклах колебаний можно достичь быстрого успокоения колебаний. Подобное ж е регулирование возбуждения эффективно для уменьш ения амплитуды Вынужденных колеба­ ний синхронных двигателей и генераторов, соединенных с поршневыми ма­ шинами Вследствие малости периода колебаний и быстротечности переход­ ных процессов регулирование 1/а такж е должно соверш аться быстро, с помо­ щью автоматических регуляторов тока возбуждения.

Глава сороковая

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

1) высокая надежность в работе и 2) возможно больш ая простота и м алая стои­ мость. Кроме того, необходимость регулирования напряж ения н обеспечения устойчивой работы синхронных маш ин налагает иа системы возбуждения ряд дополнительных требований.

Д л я поддержания постоянства напряж ения У на заж им ах генератора при изменении нагрузкй необходимо регулировать I/ и соответственно ну в ш ироких пределах. Согласно ГОСТ 533—68, минимальная устойчивая величина напряж е­ ния возбуж дения щ турбогенератора долж на быть не больш е 0 ,2 к /н. В возбуди­ телях в виде генераторов, параллельного возбуж дения это достигается с помощью мостиков насыщения в магнитной цепи (см. $ 9-4).

Проблема автоматического регулирования возбуждения.

Мощные синхронные генераторы, а во многих случаях я генераторы не­

ния У при изменениях нагрузки и 2) повышение статической и динамической устойчивости генератора. В торая задача в особенности важ на для'м ощ ны х генераторов, в при этом к системам и регуляторам возбуждения предъяв­ ляю тся повышенные требования.

При медленных изменениях II для поддержания У = Ун = сопя! доста­

ние II, т. е. на величину ДУ = У — У н , и в зависимости отвеличины и зн ака Д У оказывает воздействие на орган, изменяющий соответствующим образом вели­ чину I/. Н апример, д л я маломощных генераторов применяются угольные регуля­ торы напряж ения, которые состоят и з столбика угольных или графитовых ди­ сков, пружины, сжимающей этот столбик, и электромагнита. Угольный столбик заменяет реостат возбуждения 6 в схемах рис. 34-1, а катуш ка электромагнита

присоединяется к зажимам генератора. При увеличении 11 электромагнит ослабляет давление пруж ины, сила сж атия столбика уменьш ается, его сопро­ тивление в результате этого увеличивается и ^ уменьш ается. При уменьшении 11 действие происходит в обратном порядке

Однаксн при быстрых изменениях 11, как это имеет место при переходных процессах, и для увеличения устойчивости такое регулирование малоэффективно вследствие механической инерции подобного регулятора, имеющего подвижные части, и электромагнитной инерции цепи возбуждения, обладающей большой индуктивностью . Вследствие такой инерции I/ будет изменяться с запаздыванием и не будет успевать за изменением 11, вследствие чего выдержать условие 11 = = сопз! с необходимой точностью невозможно. Во избежание этого для мощных генераторов, во-первых, применяют статические электромагнитные регуляторы, состоящие из элементов (электронные усилители и пр.), которые не имеют под­ вижных частей Во-вторых, для преодоления влияния электромагнитной инерции цепи возбуждения необходимо, чтобы действие регулятора было пропорционально не только 11, но такж е скорости изменения 11, т. е. йЧ/Ш. Если, цапример, напря­ ж ение 11 начало резко и быстро падать и поэтому абсолютное значение ёО/сК велико, то'регулятор немедленно, когда М1 ещ е не успело достичь заметной ве­ личины, дает сильный импульс на увеличение I/. Ж елательно такж е, чтобы регу­ лятор возбуждения реагировал на производные других величин, характери­ зующих режим работы синхронного генератора. Например, как следует из изло­ женного в §39-3, д л я повышения динамической устойчивости ж елательно, чтобы I/

Регуляторы , которые реагирую т не только на величины отклонения определенных параметров, но и на величины их производных во времени, называются регуляторами сильного действия.

Т акие регуляторы д л я синхронных генераторов были впервые разработаны в СССР для Волжской ГЭС им. В . И . Л енина и зарекомендовали себя наилучшим образом.

остаются неизменными, возникает опасность выпадения генераторов из синхро­ низма.

В этих случаях д л я поддерж ания 11 на возможно более высоком уровне н предотвращ ения выпадения генераторов из синхронизма применяется так

ш унтирует реостат возбуж дения 5.

Чтобы форсировка возбуждения была эффективной, верхний предел (потолок) напряж ения возбуждения щт должен быть достаточно большим. Согласно ГОСТ 533—68 и ГОСТ 5616— 63, требуется, чтобы у турбогенераторов

Щт ~ и/т1и/ н ^ 2

и у гидрогенераторов

Щт= Щт!и}

Скорость нарастания напряж ения возбуждения. П ри форсировке возбуждения напряж ение щдолж но возрастать по возможности быстро. Согласно ГОСТ 533— 68 и ГОСТ 5616— 63, д л я турбогенераторов скорость нарастания напряж ения воз­ буж дения при его форсировке долж на быть не менее 2и^в в секунду, а д л я гидро­ генераторов — не менее 1,5 «/„ в секунду.

§ 40-2. Системы возбуждения

Системы возбуждения с генераторами постоянного тока. Классическая си­

на общем валу с синхронной машиной (см. рис. 34-1). У тихоходных машин мощ­ ностью до Р н я ; 5000 кет для уменьш ения веса н стоимости возбудителей по­ следние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи.

Гидрогенераторы такж е обычно имеют возбудитель на одном валу с генера­ тором. О днако при этом у мощных тихоходных генераторов с = 60 ч- 150 об/мин

размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихоходностью получаю тся большими. Кроме того, тихоходные1возбудители вслед­ ствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуж ­

дения. Поэтому применяют такж е системы возбуждения в виде отдельного быст­ роходного агрегата (п = 750 -5- 1500 об/мин), состоящего из асинхронного дви­

гателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, располо­ женного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях —

сшин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора.

Впоследнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энер­ госистеме (короткие замы кания и пр.), и поэтому для повышения его надежности

приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным 3; 4 М„), а иногда эти агрегаты снабжают такж е маховиками.

В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются такж е агрегаты ре­ зервного возбуждения электростанций, служ ащ ие д л я резервирования собствен­ ных возбудителей, генераторов в случае аварий и неисправностей.

Турбогенераторы мощностью до Ри= 100 тыс. кеттакж е обычно имеют воз­ будители в виде генераторов постоянного тока на своем валу . О днако при Рв >

турбогенератора с помощью редуктора, а такж е возбудительные агрегаты с асин­ хронными двигателями, получающими питание с шин станции или с выводов генератора.

Применяются такж е некоторые разновидности систем возбуждения с маш и­ нами постоянного тока. Н апример, мощные возбудители крупны х машин иногда имеют подвозбудители (рис. 40-1), которые служ ат д л я возбуждения возбудителя.

Регулирование системы возбуждения при этом производится в цепи возбуждения

стемы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подклю чена.и якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7.

Р и с 40-2 Система возбуж дения с токовым компаундированием

Н а холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3 По мере увеличения тока нагрузки генератора 1 напряж ение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уж е при небольшой нагрузке это напряж ение, выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4 При даль­ нейшем увеличении нагрузки обмотка 4будет подпитываться от трансформатора 7 и поэтому ток этой обмотки н ток возбуждения генератора I/ будут расти с уве­ личением нагрузки

П ри увеличении сопротивления установочного реостата 8 напряж ение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти При коротких замы каниях компаундирующее устройство осу­ щ ествляет форсировку возбуж дения.

Компаундирующее действие схемы рис. 40-2 зависит только от величины тока / и не зависит от его фазы . Поэтому при индуктивной нагрузке это действие

ременных установок недостаточна, и поэтому в схемах рис. 40-2 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряж ения 11, кото­ рый соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а такж е с установочным реостатом 8. Регулятор 11 реагирует на изменения напряж ения II и тока I и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуж дения возбудителя 5. Ои состоит из статических элементов (магнитный усилитель, насыщенный трансформатор, полупроводниковые выпрямители и д р .), и подроб­ ности его устройства здесь не рассматриваю тся.

П одобная система возбуж дения ш ироко применяется в СССР д л я генера­ торов мощностью до 100 тыс. кет.

тока и выпрямителями

Система возбуждения с генераторами переменного тока и выпрямителями. К ак указы валось выше, для мощных гидро- и турбогенераторов системы возбуж ­ дения с возбудителями постоянного тока, находящ имися на одном валу с генера­ торами, становятся неэкономичными и даж е невыполнимыми. В этих случаях применяются системы возбуж дения с генераторами переменного тока и управляе­ мыми или неуправляемыми выпрямителями (рис. 40-3).

Схема рис. 40-3, а положена в основу системы возбуждения гидрогенера­ торов В олж ских, Братской и К расноярской ГЭС, причем вспомогательный син­ хронный генераторчгормаяьной частоты 3 и возбудитель 7 расположены на одном валу с главным генератором 1, а ионный выпрямитель 5 с одноанодными венти­

Схема рис. 40-3, б применяется заводом «Электросила» д л я турбогенераторов мощностью 150 ты с. кет и выше. В этой схеме обмотка возбуж дения 2 глав­ ного генератора 1 получает возбуждение от индукторного генератора (возбуди­ теля) 3 частотой 500 гц через кремниевые выпрямители 5 . Генератор 3 имеет две обмотки возбуж дения: обмотку независимого возбуж дения 4, получающую пита­ ние о т вспомогательного генератора (подвозбудителя) 9 через выпрямители 5,

нена трехфазная индуктивная катуш ка (дроссель) 10, подмагничиваемая постоян­

лико, то напряж ение на ее заж им ах сильно зависит от тока катуш ки 10 Путем

и при этом даж е работа контактных колец со щ етками становится затруднитель­ ной. Поэтому в настоящее время строятся такж е генераторы с бесконтактными системами возбуж дения Такую систему можно выполнить, например, на основе схемы рис. 40-3, а , если обмотку яко р я 3 генератора переменного тока поместить

Рис. 40-4. Система самовозбуждения с фазовым компаундиро­ ванием

на его роторе, укрепленном на валу главного генератора 1, а обмотку возбужде­ ния 4 поместить на статоре. Полупроводниковые выпрямители 5 при этом укреп­

в этом случае возлагается на подвозбудитель 7—8, который такж е можно выпол­ нить в виде бесконтактного генератора переменного тока. Подобные системы воз­ буж дения весьма перспективны, но имеют тот недостаток, что гашение поля можно осуществить только в цепи обмотки 4 и в этом случае поле главного гене­ ратора гасится относительно медленно.

Компаундированные генераторы с самовозбуждением. Выше рассматривались независимые системы возбуждения, в которых вся энергия или ее часть для воз­ буждения синхронного генератора получалась от возбудителей в виде машин постоянного или переменного тока. Н аряду с ними применяются такж е системы самовозбуждения, в которых эта энергия получается из цепи якоря самого^генератора. Особенно ш ироко такие системы возбуждения применяются для генера­ торов малой и средней мощности, работающих в автономных системах (лесо­ разработки, транспортные установки и т. д ). В последние годы системы само­ возбуж дения все чаще начинают применять такж е для крупных генераторов, работающих в мощных энергосистемах, и для синхронных двигателей. П рн этом обычно используется такж е принцип компаундирования.

Типичная схема компаундированного генератора с самовозбуждением изоб­ раж ена на рис. 40-4. В торичная Э. д . с. параллельного трансформатора 3 про­ порциональна II, а вторичная э. д. с. последовательного трансформатора 5 пропорциональна / . Вторичные обмотки этих трансформаторов включены парал­ лельно и

Ток возбуждения ^ ~ зависит не только от величинытока нагрузки I, но и от его фазы, вследствие чего схема рис. 40-4 называется схемой фазового компаундирования. Это позволяет усиливать компаундирующее действие системы возбуждения при индуктивной нагрузке генератора, поскольку индуктивная

И з вы раж ения (40-2) следует, что при х1 = 0 компаундирование будет отсут­

ствовать. В этом случае при увеличении 4 трансформатор 5 будет брать на себя н агрузку трансформатора 3 и ток /у увеличиваться не будет.

Трансформаторы 3 и 5 на рис. 40*4 можно объединить такж е в одни общий трансформатор с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, присоединенной к выпрямителю 6. К атуш ку 4 при этом необходимо перенести в первичную обмотку напряж ения. Вместо этого можно такж е искусственно уве­ личить рассеяние этой обмотки, отделив ее от других обмоток трансформатора магнитным шунтом. П ри высоком напряж ении трансформатор 5 целесообразно вклю чить со стороны нейтрали обмотки яко р я генератора. В генераторах малой мощности иногда отказы ваю тся от трансформатора 3 и катуш ку 4 присоединяют непосредственно л заж имам генератора. Применяю тся такж е другие разновид­ ности подобных систем возбуж дения.

Вследствие насыщения и других причин х а к у неявнополюсных, т ак и явно-

ние напряж ения с помощью корректора или регулятора напряж ения. Д л я этой цели катуш ку 4 можно выполнить с подмагвичиванием постоянным током, а в этом случае регулятор напряж ения регулирует величину этого тока, чем дости­ гается изменение х1 и тока ^ в необходимом направлении. Если выпрямители б

являю тся управляемыми, то регулятор напряж ения может действовать на эти выпрямители.

Самовозбуждение синхронного генератора по схеме рис. 40-4 происходив только при наличии потока остаточного намагничивания, к ак и в генераторах постоянного Тока с параллельным возбуждением. О днако вследствие повышен.)-' кого сопротивления выпрямителя при малых токах и других причин остаточный поток обычной величины индуктирует недостаточно большую э . д . с. д л я обеспе­ чения самовозбуждения синхронного генератора и поэтому необходимо принимать дополнительные меры (применение резонансных контуров, включение в цепь возбу­ ждении небольшого аккум улятора или добавочного генератора с постоянными магнитами, увеличение остаточного потока посредством магнитных прокладок в полю сах генератора я прЛ. Д л я получения резонансного контура параллельно зажимам выпрямителя 6 (рнс. 40-4) со стороны переменного тока можно подклю ­ чить конденсаторы 7. Если емкости С подобрать так т что во время пуска генера­ то р а'п р и я < пн возникнет резонанс напряж ений, то напряж ение на конденсат торах 7 и напряж ение выпрямителя 6 повысятся в несколько р аз и произойдем самовозбуждение. П ри п —пИусловия резонанса наруш атся, н поэтому конден* саторы оказываю т незначительное влияние на работу схемы. В схемах возбужде­ ния вида рис. 40-4, к ак правило, применяются полупроводниковые выпрямители^ Б лагодаря своей простоте, надежности н хорошим регулирующ им свойствам по­ добные схемы возбуждения получаю т все более ш ирокое применение. Д л я защ иты о т перенапряжений при асинхронном ходе и других необычных условиях вы пря­ мители обычно ш унтирую тся высокоомным и или нелинейными сопротивле­ ниями.

Генераторы малой мощности с рассмотренной системой возбуждения допу­ скаю т прямой пуск короткозамкнутых асинхронны х двигателей, мощности кото-, ры х соизмеримы с мощностью генераторов. При атом пусковой ток двигатели благодаря компаундированию осущ ествляю т форсировку возбуж дения геиера-; тора н поэтому его напряж ение сильно не сниж ается, несмотря на большие пуско­ вые токи индуктивного характера.

Применяю тся и другие разновидности систем возбуж дения. Х арактерны м является асе более ш ирокая замена систем с возбудителями ‘постоянного тока системами с полупроводниковыми выпрямителями.