книги из ГПНТБ / Никифоровский Н.Н. Судовые электрические станции учеб. пособие

да в море включаются на параллельную работу без предварительной синхронизации, через реактор, который, спустя небольшое время пе­ реходного процесса, шунтируется выключателем.

Токоограничивающий эффект дуги. В заключение обратим внима­ ние на то, что расчеты токов к. з. обычно выполняются в предполо­ жении глухого металлического короткого замыкания в месте повреж­ дения. Однако далеко не всегда замыкание бывает металлическим:

вило, происходит в месте повреждения и сопровождается образова­ нием дуги, длина которой под действием тех же динамических сил быстро увеличивается.

Сопротивление электрической дуги имеет нелинейный характер — оно зависит от величины тока через дугу; в связи с этим дуга не только ограничивает величину тока, но и искажает его форму. Токоограни­

на величину тока к. з. На рисунке по оси ординат представлено отно­ шение действующего значения тока в однофазной цепи при замыкании ее через дугу /0 к току при глухом металлическом к. з. / к, а по оси абсцисс — отношение напряжения горения дуги (предполагается, что оно за время горения дуги неизменно) к амплитуде напряжения источника ІІт при различных параметрах короткозамкнутой цепи (различном cos <рк).

Токоограничивающий эффект дуги, особенно ее способность умень­ шать ток до нуля за заданную небольшую часть полупериода, если напряжение на дуге достаточно велико, широко используется в токо­ ограничивающих выключателях и предохранителях (см. § 5.4; 5.5).

При расчете тока к. з. уменьшение фактического значения тока к. з. дугой во внимание пока не принимается.

177

Г Л А В А 4

Изменение напряжения и частоты генераторов

при внезапных изменениях нагрузки

§ 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При внезапных изменениях нагрузки генераторов постоянного и переменного тока возникают отклонения напряжения от номиналь­

1 — при шунтовом возбуждении машины; 2 — то же, с автоматическим регулятором напряжения; 3 — при смешанном возбуждении без применения автоматического регулятора напряжения. Как видно из рисунка, в момент наброса нагрузки напряжение на зажимах генератора падает на величину AU, которая равна

&U = ‘, r . + L , ^ ,

где ія — величина тока набрасываемой нагрузки; гя — сопротивление цепи якоря генератора; Ья — индуктивность цепи якоря генератора.

На рис. 4.1, а (кривая 1) видно, что в момент наброса нагрузки напряжение почти мгновенно уменьшается от своего номинального значения UnoM до ІІЪ а затем относительно медленно, с постоянной времени цепи возбуждения снижается до нового установившегося значения U2< U 1<. UmM.

На рис. 4.1, а кривая 2 соответствует аналогичному случаю, но при наличии автоматического регулятора напряжения.

Благодаря запаздыванию действия регулятора и большой электро­ магнитной инерции цепи возбуждения генератора напряжение его

178

E течение некоторого промежутка времени tx с момента включения нагрузки продолжает падать от значения Ѵх до наименьшего значе­ ния U2. После этого напряжение начинает восстанавливаться, стремясь к своему номинальному значению. Обычно новое значение напряжения U з из-за неточности работы регулятора несколько отличается от но­ минального Un0M. При работе генератора с шунтовой и компаундной обмотками (см. рис. 4.1, кривая 3), благодаря мгновенному действию компаундной обмотки, напряжение генератора при набросе нагрузки после почти мгновенного уменьшения до значения U{, несколько боль­ шего по сравнению с U^, благодаря наличию дополнительного сопро­

тот же характер, что и при набросе, но, естественно, в обратном направлении. У машин постоянного тока благодаря относительно небольшой величине сопротивления цепи якоря и реакции якоря ве­ личины отклонения напряжения генераторов от номинального зна­ чения при внезапных изменениях нагрузки не вызывают обычно ос­ ложнений на практике, тем более, что контакторы и реле постоянного тока при кратковременных провалах напряжения не дают ложных отключений.

Иная картина получается в электроэнергетических установках переменного тока. Относительно большие величины сопротивления обмоток и намагничивающей силы реакции статора приводят к значи­ тельным отклонениям напряжения синхронных генераторов от но­ минальной величины при внезапных изменениях нагрузки, что может привести к нарушению нормального режима работы установки. Пос­ леднее тем более возможно, что в судовых установках переменного тока нашли широкое распространение короткозамкнутые асинхронные электродвигатели, имеющие значительные кратности пускового тока, который в этих установках зачастую превышает номинальный ток генератора. Кроме того, контакторы переменного тока при возникно­ вении глубоких провалов напряжения в момент, когда ток в катушке

179

контактора мал, отключаются весьма быстро, в течение нескольких сотых долей секунды.

На рис. 4.2 приведены результаты обработки осциллограммы из­ менения напряжения на зажимах СГ при внезапном набросе на него

брасываемой нагрузки. При одном и том же сопротивлении набрасы­ ваемой нагрузки величина первоначального провала напряжения зависит от величины апериодической слагающей тока нагрузки, вы­ зывающей дополнительное падение напряжения в машине.

У синхронных генераторов с машинными возбудителями и авто­ матическими регуляторами напряжения переходный процесс после вне­

грузки может быть значительной. Поэтому величина первоначального провала напряжения, так же как и процесс дальнейшего восстановле­ ния напряжения генератора, зависит от момента включения на­ грузки.

На рис. 4.3 приведены две осциллограммы изменения напряжения

180

смешанной активно-индуктивной нагрузки, но при разных значе­ ниях апериодической слагающей тока набрасываемой нагрузки. На рис. 4.3, а кривая напряжения симметрична относительно оси абс­ цисс и максимальный провал напряжения равен АUal. На рис. 4.3, б кривая напряжения оказывается симметричной по отношению к пе­ риодической слагающей падения напряжения. В этом случае наиболь­ ший провал напряжения оказался равным A(J61. В следующие поло­

гающей приводит к увеличению провалов напряжения в одной части полупериодов и к уменьшению провалов напряжения в другой части. Поэтому для большинства потребителей электрической энергии (дви­ гателей, аппаратов, освещения) увеличение наибольшего провала напряжения из-за наличия апериодической слагающей тока набрасы­ ваемой нагрузки практического значения не имеет, тем более, что влияние апериодической слагающей тока быстро исчезает вместе

споследней. Поэтому практическое значение представляют величина

идлительность провала напряжения, вызванные периодической слагающей тока набрасываемой нагрузки.

Втрехфазных системах при включении нагрузки апериодические слагающие тока набрасываемой нагрузки различны, так как различ­ ны мгновенные значения напряжений в каждой фазе в один и тот же момент времени. Поэтому и провалы напряжений в каждой фазе трехфазной системы при набросе реактивной или смешанной нагрузки

различны.

§ 4.2. РАСЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В УСТАНОВКАХ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Установки постоянного тока. Как говорилось в разделе расчета токов к.з. генераторов постоянного тока, максимальное значение тока к. з. генератора постоянного тока может быть приближенно определе­ но из выражения

нератором и точкой к. з.

Рассматривая наброс нагрузки с холостого хода генератора как короткое замыкание через сопротивление нагрузки гн, можно напи­

181

Тогда напряжение на сопротивлении нагрузки при максимальном токе будет

При набросе на генератор нагрузки, равной номинальному значе­ нию (г*,, — 1), и при г 'я == 0,1 величина провала напряжения генера­

провалов напряжения при внезапных изменениях нагрузки имеет

и при определении провала напряжения на зажимах генератора пос­ тоянного тока, наброс нагрузки рассматривается как короткое замы­ кание через сопротивление набрасываемой нагрузки. Так, например, при определении величины провала напряжения в случае пуска корот­ козамкнутого асинхронного электродвигателя прямым включением его в сеть сопротивления короткого замыкания двигателя хд и гЙ можно рассматривать как сопротивления цепи короткого замыкания. Пользуясь последними, с учетом сопротивлений x'â и га генератора и хс и гс цепи, соединяющей генератор и двигатель, а также пользуясь расчетными кривыми, соответствующими тому типу генератора и сис­ темы его возбуждения, для которых производится расчет, получают значения токов к. з. для различных промежутков времени от момен­ та включения двигателя. Умножая эти токи на сопротивления хА и гд

182

двигателя и сопротивления хс и гс цепи, соединяющей двигатель с ши­ нами распределительного щита, можно найти напряжение на шинах электрической станции для этих моментов времени.

На рис. 4.4 приведены осциллограммы изменения частоты враще­ ния дизель-генераторного агрегата мощностью 30 кет при 1500 обімин при набросе на него 100%-ной активной нагрузки для двух случаев. Из приведенных осциллограмм видно, что время срабатывания регу­ лятора до величины, соответствующей максимальной подаче топлива,

§ 4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В УСТАНОВКАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Выше в §3.4 были получены основные аналитические соотноше­ ния, описывающие процесс короткого замыкания синхронной машины в системе координат d, q. При этом особенностью рассмотренного ре­

Очевидна справедливость следующих соотношений для проекций векторов напряжений внутри машины:

183

Для внешней цепи:

В совокупности с уравнением цепи обмотки возбуждения (3.25) выражения (4.1) представляют собой уравнения синхронной машины без демпферных контуров при условии пренебрежения апериодичес­ кой составляющей тока статора во вращающейся системе координат;

U и / — изображающие векторы напряжения и тока статора. В пред­ ставленном виде уравнения справедливы для ненасыщенной машины, работающей при постоянной частоте вращения ротора. Если в процессе решения задачи необхо­ димо учесть изменение частоты вращения, то в системе относительных единиц уравнения гене­

ратора будут иметь следующий вид:

что прилежащий катет этого угла равен сумме векторов падения нап­

ряжения на активном сопротивлении фазы статора гаІ и активном сопротивлении нагрузки, а противолежащий — сумме векторов па­ дений напряжений на поперечном синхронном реактивном сопротив­

Пример 4.1. Найти проекции векторов тока и напряжения СГ и ток воз­ буждения при номинальном режиме работы (U = 1; za = 1; cos <р = 0,8).

Параметры генератора: xd = 1,8; xs = 0,07; га = 0,03; xq — 1,2. 1. Угол между вектором тока и поперечной осью машины

184

Пользуясь соотношением (4.5), можно получить полные выраже­ ния для составляющих вектора напряжения через параметры внешней цепи. Очевидно, что Ud = U cos б; Uq = U s in б. С другой стороны, б = ф— ф; отсюда:

cos б = cos (ф — ф) = cos ф c o s ф + sin г): sin ф ;

sin б = sin (ф — ф) = sin ф cos ф — cos ф sin ф.

Выражая тригонометрические функции sin ф и cos ф через 1§ф, получим:

Определим теперь характер изменения переменных в процессе изменения нагрузки на зажимах машины.

Подставляя (4.4) в левую часть первых двух равенств (4.3), с уче­ том выражения для потокосцепления обмотки возбуждения (3.18),

185

получим систему трех алгебраических уравнений с тремя неизвест­ ными:

решая которую, можно выразить токи Id, Iqt ів в функции потокосцепления обмотки возбуждения фв.

Главный определитель системы

186