Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

При постепенном увеличении вращающего момента на валу при­ водного двигателя М г и, следовательно, подводимой к генератору механической мощности Рг ротор начнет опережать статор, и угол 0 будет увеличиваться. Из рис. 37-11 видно, что при одном и Дом же увеличении угла 0 мощность Рш растет тем меньше, чем больше угол 0 . Так, при изменении 0 от 0 до 15° электромагнитная мощность возрастает до значения Рвт5 = Ршт sin 15° = 0,26 Рэмт. При изменении угла Ѳ от 75 до 90° мощность Рэм возрастает едва заметно (примерно на 3%). При 0 == 90° генератор развивает наибольшую электромагнитную мощность РЭМт = m E aU/xd. Но если и после этого продолжать увеличивать момент Мх и соответственно угол 0, то генератор не только не разовьет большой мощности, но, наоборот, начнет уменьшать развиваемую им мощность Рэм и момент Мш. Избыток вращающего момента М 1 — Мам пойдет на придание уско­ рения ротору, вследствие чего произойдет дальнейшее увеличение угла 0, новое уменьшение момента Мш и т. д.

На рис. 37-12, в это соответствует случаю, когда линии потока, до сих пор упруго сцеплявшие ротор и статор, обрываются, вследст­ вие чего ротор начинает вращаться несинхронно с потоком статора и генератор выпадает из синхронизма, т. е. перестает работать парал­ лельно с сетью. Таким образом, за точкой В синусоиды ОВС электро­ магнитной мощности (рис. 37-11) начинается область неустойчивой работы генератора. Часть OB синусоиды электромагнитной мощности определяет область устойчивой работы генератора. Выпадение его из синхронизма представляет собой аварийный случай, который может повести к расстройству параллельной работы.

37-6. Синхронизирующая мощность

Чтобы генератор мог работать, не выпадая из синхронизма с се­ тью, он должен обладать достаточной синхронизирующей мощног стью, т. е. способностью продолжать работать синхронно с сетью даже при значительных изменениях момента Маы и, следовательно, угла 0. Удельной синхронизирующей мощностью Рсх называется изменение мощности Рсх, рассчитанное на единицу угла 0. Тогда

в пределе Рсх= или после подстановки сюда значения Рш из

формулы (37-5)

(37-6)

т. е. удельная синхронизирующая мощность генератора при задан­ ной э. д. с. Еп, напряжении U и сопротивлении xd пропорциональна косинусу угла 0 (рис. 37-11, линия 2).

При сопоставлении формул (37-5) и (37-6) можно прийти к заклю­ чению, что. когда угол 0 = 0, то электромагнитная мощность генера­ тора Рэи = 0, но его удельная синхронизирующая мощность дости-

427

Наоборот, когда Ѳ = 90°, генератор способен развить наиболь-

itIVto электромагнитную мощность г :1Мт — ш —:—, но его сшіхрони-

x d

зіірующан мощность Рск : - 0, т. е. генератор не может работать параллельно с другими генераторами.

Практически уже задолго до о = 90° генератор начинает работать не вполне устойчиво, в нем возникают колебания, рассматриваемые в § 37-13. Пот почему в синхронных генераторах угол Ѳне превышает

37-7. Перегрузочная способность генератора. Понятие о статической и динамической устойчивости

Под перегрузочной способностью км генератора понимают отно­ шение наибольшей электромагнитной мощности или наибольшего момента, развиваемых генератором при номинальном напряжении Ua и номинальном возбуждении Ів и, к электромагнитной мощности или соответственно моменту номинального режима. Таким образом,

UEп

т. е. перегрузочная способность генератора тем больше, чем меньше угол ѳн. Если мощность генератора Рн и напряжение сети Uс, парал­ лельно с которой он работает, заданы, то, как это следует из фор­ мулы (37-5), можно уменьшить Ѳн Двумя путями: увеличивая э. д. с. Еп, или уменьшая xtl. Первый путь возможен в эксплуатационных условиях, но увеличение Еп возможно только за счет увеличения тока возбуждения / в, а это может повести к перегреву обмотки воз­ буждения. Кроме того, из дальнейшего будет видно, что в этом слу­ чае в генераторе появляется реактивный ток, а это заставляет во избежание перегрева обмотки статора недогружать генератор актив­ ной мощностью.

Второй путь возможен лишь при расчете машины. Чтобы умень­ шить xd, нужно уменьшить продольный поток реакции якоря Фпгі, а для этого нужно увеличить зазор б. По при этом увеличивается сопротивление на пути основного потока. Поэтому, если хотят оста­ вить последний без изменения, то должны увеличить намагничиваю­ щую силу обмотки возбуждения, соответственно увеличив место для обмотки возбуждения. Следовательно, для увеличения перегрузочной способности машины необходимо увеличивать ее размеры; стои­ мость машины при этом возрастает.

Коэффициент перегрузочной способности км характеризует собой так называемую статическую устойчивость синхронного генератора, т. е. ту предельную мощность, которую он может развить при мед­

428

ленном возрастании нагрузки, когда переход от одного установив­ шегося состояния к другому происходит без изменения напряжения U и скорости вращения п.

Еще большее значение имеет динамическая устойчивость синхрон­ ного генератора, под которой понимают способность генератора вы­ держивать внезапные изменения нагрузки без выпадения из син­ хронизма. Предельным случаем внезапного изменения нагрузки является короткое замыкание в сети. При этом напряжение ее U обычно сильно понижается, соответственно чему понижается и степень устойчивости параллельно работающих генераторов. Одним из наиболее действенных средств избежать расстройства работы системы является форсировка возбуждения, т. е. увеличение тока

Хорошим средством повышения устойчивости синхронного гене­ ратора с одновременным автоматическим регулированием напряже­ ния в сети является компаундирование синхронных генераторов, по­ лучившее широкое распространение. Принципиальная схема ком­ паундированного генератора приведена на рис. 37-13. Здесь 1 — син­ хронный генератор; 2 — последовательный трансформатор, вклю­ ченный в один из линейных проводов; 3 — выпрямитель, соединен­ ный по мостовой схеме; 4 — возбудитель, к обмотке возбуждения которого приключен выпрямитель.

При соответствующей настройке схемы она обеспечивает доста­ точную устойчивость напряжения, реагируя на изменения нагрузоч­ ного тока синхронного генератора. Однако эксплуатационный опыт показал, что компаундирование синхронных генераторов хорошо справляется со своей задачей при относительно медленно происхо­ дящих процессах. Там же, где требуется наибольшая быстрота отзьш-

429

чивости при значительном потолке напряжения, она является недо­ статочной. В особенности это относится к генераторам, работающим на дальние линии передачи. Для обеспечения устойчивой работы таких генераторов к их системе возбуждения предъявляют повышен­ ные требования как в отношении потолка возбуждения, так и быстроотзывчивости системы.

Так, например, система возбуждения генераторов, установлен­ ных на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина, работающих на дальнюю

(КвМакс/£/вн 4), достигаемый за время 0,5—0,8 сек, т. е. со скоростью нарастания напряжения на контактных кольцах ротора 2000 вісек. Эти требования привели к коренному пересмотру системы возбужде­

добавочного напряжения номинальной мощности 900 кет с регулиров­ кой напряжения от —800 до +800 в, приводимый во вращение асинх­ ронным двигателем со скоростью 745 об/мин. В номинальном режиме работы генератора машина добавочного напряжения имеет напря­

напряжения изменяется от —400 до +800 в и, следовательно, сов­ местно с главным возбудителем дает 800 + 800 = 1600 в, т. е. четы­ рехкратное напряжение возбуждения по отношению к номиналь­ ному. Чтобы ускорить протекание процесса, в цепь обмотки возбу­ ждения машины добавочного напряжения включаются активные со­ противления, рассчитанные так, чтобы постоянная времени форсировочного процесса Т = LIR была не более 0,1—0,2 сек.

Из 20 генераторов, установленных на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина, И имеют описанное выше машинное возбуждение. Остальные 9 генераторов имеют ионное возбуждение, базирующееся на металлических ртутных выпрямителях.

430

Принципиальная упрощенная схема системы ионного возбужде­ ния генераторов Волжской ГЭС имени В. И. Ленина показана на рис. 37-14. Здесь 1 — главный генератор; 2 — обмотка возбуждения главного генератора; 3 — вспомогательный трехфазный генератор мощностью 2548 кет, расположенный на валу 1; обмотка статора 3 рассчитана на напряжение 1385 в с отпайкой на 460 в; 4 и 5 — группы ртутных выпрямителей, соединенные но трехфазной мосто­ вой схеме (на рис. 37-14 показана одна фаза). Обе выпрямительные группы включены параллельно. Группа выпрямителей 4 работает от напряжения 460 в и обеспечивает возбуждение главного генера­ тора в нормальном режиме. Регулирование тока возбуждения про­ изводится изменением угла зажигания анодов. Группа выпрямите­ лей 5 включена на полное напряжение вспомогательного генера­ тора 1385 в; в нормальном режиме работы генератора 1 угол зажига­ ния анодов достигает 125° и выпрямители обтекаются небольшим током, необходимым для подогрева анодов. При форсировке возбу­ ждения угол зажигания анодов этой группы выпрямителей умень­ шается до нуля и происходит быстрое нарастание тока возбуждения главного генератора, 6 — возбудитель вспомогательного генератора. Одновременно с форсировкой возбуждения главного генератора про­ изводится 2,5-кратная форсировка возбуждения вспомогательного генератора.

37-8. Синхронные генераторы с самовозбуждением

Применение возбудителя — генератора постоянного тока для синхронной машины — значительно увеличивает размеры, вес и стоимость агрегата, в особенности при небольшой мощности его.

Кроме того, наличие коллектора и щеток требует квалифицирован­ ного обслуживания агрегата в процессе эксплуатации.

Для устранения этих недостатков были разработаны схемы самовозбуждения синхронных генераторов с применением механи­ ческих или полупроводниковых выпрямителей.

На рис. 37-15 приведена принципиальная схема самовозбужде­ ния синхронного генератора с полупроводниковыми выпрямителями.

431

Обмотка ротора 1 через выпрямитель 2 присоединяется к зажимам статора 3. При напряжении генератора свыше 230 в целесообразно включить выпрямитель через понижающий трансформатор. Можно также использовать для возбуждения только часть обмотки статора генератора или выполнить отдельную обмотку статора на понижен­ ное напряжение.

Процесс самовозбуждения синхронного генератора протекает в основном так же, как и генератора постоянного тока (§ 7-4). При вращении ротора возникает э. д. с., вызванная наличием остаточ­ ного магнитного потока, и по обмотке возбуждения протекает вы­ прямленный ток / в. Этот ток усиливает магнитный поток и увеличи­

выше падения напряжения на выпрямителе. Для этого можно вклю­ чить регулируемый трансформатор и повысить э. д. с. от остаточ­ ного магнетизма или же часть магнитной цени выполнить из по­ стоянных магнитов в виде прокладок под полюсами.

Для улучшения охлаждения выпрямители обычно помещаются в подшипниковом щите со стороны входа холодного воздуха.

Одновременно с самовозбуждением решается задача поддержания постоянства напряжения генератора при изменении нагрузки. На рис. 37-17 показана одна из возможных схем самовозбуждения гене­ ратора с трехобмоточным стабилизирующим трансформатором.

Обмотка трансформатора 7 присоединяется параллельно нагрузке, обмотка 2 включается последовательно с нагрузкой и в обмотку 3 включается выпрямитель 7. При холостом ходе магнитный ноток в трансформаторе создается обмоткой 7 и трансформатор работает как двухобмоточный. При нагрузке генератора ток проходит также и по обмотке 2, эти приводит к увеличению магнитного потока трапс-

432

форматора, вызывает увеличение э. д. с. обмотки 3 и соответственно тока возбуждения. В результате получается почти полная компен­ сация реакции якоря и падения напряжения в генераторе.

37-9. Добавочная электромагнитная мощность синхронной

м а ш и н ы

При отсутствии магнитного потока индуктора Еп = 0 и электро­ магнитная мощность синхронной машины по формуле (37-4) равна только добавочной составляющей

mU- (xd — xq) .

Для выяснения физической сущности добавочной электромагнит­ ной мощности Рэм д и добавочного электромагнитного момента Мэмд можно проделать следующий опыт. В магнитное поле двух полюсов вносится ротор из мягкой стали (без обмотки возбуждения). Если ротор имеет форму кругового цилиндра (рис. 37-19, а), то при вра­ щении его магнитное поле не будет искажаться, поэтому вращающий момент равен нулю при любом положении ротора. Если ротор явно­ полюсный, то пока продольная ось ротора совпадает с осью полюсов, т. е. угол о — 0 , ноле не деформируется (рис. 37-19, б) и, следо­ вательно. момент на валу ротора, так же как и в предыдущем случае, равен нулю. При повороте ротора на некоторый угол магнитные ли­ нии, стремясь пройти через ротор по-прежнему по продольной его оси, вынуждены изогнуться, вызывая тем самым деформацию поля, вследствие чего на ротор действует момент, стремящийся вернуть его в исходное положение. Наибольшая деформация магнитного поля, а следовательно, и наибольший момент, воздействующий на ротор, наступит при угле поворота о — 45° (рис. 37-19, в). При даль­ нейшем повороте ротора деформация магнитного поля начнет умень­ шаться, так как часть линий магнитного потока будет проходить

433

непосредственно от одного полюса к другому по поперечной оси ро­ тора (рис. 37-19, г); при угле поворота ротора' Ѳ — 90° деформация поля и соответственно момент, приложенный к ротору со стороны поля, равны нулю (рис. 37-19, д). Дальнейший поворот ротора опять вызовет нарастающую с увеличением угла Ѳ деформацию поля,

Рис. 37-19. Работа реактивной синхронной машины: а — с неявнополюсным ротором, 6, в, г, д и е — при различных положениях явнополюсного ротора

причем момент, приложенный к ротору, при Ѳ > 90э изменяет на­ правление (рис. 37-19, е).

В синхронных машинах поля статора и ротора вращаются с оди­ наковой скоростью, поэтому вышеизложенное может быть целиком отнесено к этим машинам без каких бы то ни было дополнительных пояснений.

Итак,- добавочная электромагнитная мощность РэМ-Д и добавоч­ ный электромагнитный момент Мэм д синхронной машины являются результатом добавочной деформации магнитного поля, вызванной стремлением ноля замкнуться по пути наименьшего магнитного со­

434

противления, если ото сопротивление зависит от положения ротора, т. е. от угла д. Следовательно, в явноиолюсных синхронных ма­ шинах, вне зависимости от того, работают они с возбуждением или без возбуждения, всегда имеет место добавочная электромагнитная

МОЩНОСТЬ / ’эм д.

Явнополюсные синхронные машины, работающие без возбужде­ ния, называются реактивными, поскольку поток в них создается реакцией якоря. Реактивные генераторы практически не приме­ няются из-за их малой эффективности.

37-10. Параллельная работа синхронных генераторов при Д7ЭМ=-const и /в = ѵаг

Предполагается по-прежнему, что генератор работает параллельно

рону Еп (рис. 37-20, б). Под действием этой э. д. с. по генератору начинает течь уравнительный ток / у = / 1; от­

стающий от АЕ на я/2. Получается картина, рассмотренная в § 37-3, с теми же выводами, а именно:

а) При перевозбуждении генератора появляется уравнительный ток, чисто индуктивный относительно генератора и чисто емкостной относительно сети; создавая продольную реакцию якоря, он стре-

435

митея размагнитить данный генератор и намагнитить генераторы, работающие с шш параллельно (сеть);

б) уравнительный ток не имеет активной составляющей (практи­ чески) и поэтому не вызывает перераспределения активной наг­ рузки.

Если уменьшить ток возбуждения относительно нормального, то уравнительный ток будет чисто емкостным относительно генера­ тора и индуктивным относительно сети (рис. 37-20. в). Реакция якоря от этого тока — продольная, намагничивающая генератор. Так же как и в предыдущем случае, уравни­ тельный ток не производит никакого перераспределения активной нагруз­

ки.

С

/у — Іх — ÄE/xd: Соответственно этому можно рассчитать и построить зависимость Іх —/ (Еп) при U0 — const и / = const. Эта зависимость, выраженная в графической форме, называется U-образнон характе­ ристикой, так как она похожа на латинскую букву U. Большее прак­ тическое значение имеет зависимость Іх == / (Ін). Пока ток / в невелик и сталь машины не насыщена, о. д. с. Епи ток / в взаимно пропорцио­ нальны, но затем ток / в начинает расти быстрее, чем э. д. с. Еи. Поэтому характеристика Іх —/ (/„) несколько отличается от харак­ теристик /j = / (Еи) при перевозбуждении, но продолжает сохра­ нять U-образную форму (линия 1 на рис. 37-21).

Б. Генератор работает под нагрузкой. Исходя из упрощенной диаграммы э. д. с. на рис. 35-10, можно сказать, что при работе гене­

ратора под нагрузкой в нем имеются: а) основная э. д. с. Тіф, создавае­ мая основным потоком Фп, б) э. д. с. Еа = —jlxxсх, создаваемая потоком якоря Ф.а it в) результирующая э. д. с. Еѵ = Еп + Еа,

создаваемая результирующим потоком Фр = Фп -f- Фа. По закону равновесия.э. д. с. напряжение сети Uc и результирующая э. д. с. Еѵ

должны находиться во взаимном равновесии, т. е. Ер — — I 'с = const; поэтому на рис. 37-22 эти э. д. с. изображаются векторами, равными по величине, но направленными в противоположные стороны.

436