Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Теперь можно изобразить соответствующие рассматриваемому режиму потоки и токи. Так как, согласно условию Ер -- const, то и создающий ее результирующий ноток тоже задай, т. е.

Фр == Фп+ Фа = ОС —const.

Если пренебречь, как и раньте, активным сопротивлением об­

составляющая его нагрузочного тока / а = / t cos ф остается постоян­ ной и не зависит от тока возбуждения / в. Геометрическим местом тока является прямая DZDXDS, параллельная оси ординат.

Регулированием тока возбуждения можно установить такой ток /j = OD1, чтобы он совпадал по фазе с э. д. с. /?р, т. е. ф = 0. В соот­ ветствующем масштабе вектор 01), представляет ноток якоря Фа1. Тогда основной поток Ф„ - - І)ХС. Ток возбуждения / Е, соответствую­ щий такому режиму работы, называется нормальным, и генератор

якоря. По величине размагничивающая реакция якоря должна быть такова, чтобы полностью скомпенсировать увеличение тока возбуж­ дения и обеспечить постоянство потока Фр.

ной активной составляющей тока і а появляется емкостная состав­ ляющая тока / л3 = намагничивающая генератор в такой сте­ пени, чтобы скомпенсировать уменьшение тока / в и опять-таки обес­ печить постоянство потока Фр.

По отношению к напряжению сети Uc индуктивный ток генера­ тора DyDz является емкостным, а емкостный ток генератора DXD3 — индуктивным. Так как в сетях чаще всего преобладает индуктивная нагрузка, то, перевозбуждая генератор (если только ото возможно), можно частично разгрузить от индуктивных токов другие парал­ лельно работающие генераторы.

Задаваясь различными моментами на валу генератора и изменяя

сдвигаются вправо (рис. 37-2І), так как требуется небольшое уве-

437

лпчение тока возбуждения для компенсация реакции якоря и актив­ ного падения напряжения в обмотке статора при увеличении тока статора.

37-11. Перевод нагрузки при параллельной работе сіСнхронных генераторов

Из сказанного в § 37-10 следует, что при параллельной работе синхронного генератора с сетью изменение его тока возбуждения вызывает изменение только реактивной составляющей тока в ста­ торе, т. е. коэффициента мощности генератора, без изменения его активной мощности. Чтобы осуществить перевод нагрузки с одного генератора на другой, нужно изменить вращающий момент привод­ ного двигателя М1, изменив впуск пара, воды и т. п.

Если несколько одинаковых синхронных генераторов работают параллельно, то в общем случае они могут иметь разные cos ф, в за­ висимости от установленного в каждом из них тока возбуждения. Но для получения наибольшего к. и. д. необходимо, чтобы все гене­ раторы работали при одном и том же cos ф, так как в этом случае между ними нет уравнительных токов.

37-12. Колебания при параллельной работе синхронных машин

А. Свободные колебания синхронной машины. При изменении момента Мт на валу генератора изменяется угол в между э. д. с. Еп и напряжением U (§ 37-6). Основной вопрос состоит в том, как про­ исходит при изменении момента Мэм переход от одного угла glt соответствующего одной нагрузке, к другому углу Ѳ2>соответствую­ щему другой нагрузке.

Как уже отмечалось, статор и ротор синхронной машины связаны между собой при помощи общего магнитного поля. Так как линии магнитного поля обладают упругостью, то взаимосвязь между статорОхМ и ротором можно представить себе так, что эти части машины связаны между собой пружиной или резиновыми нитями. Это дает возможность построить следующую модель синхронной машины

(рис. 37-23).

Все вращающиеся массы т синхронного агрегата предполагаются сосредоточенными в одной точке А:, находящейся на конце радиуса ОАх = D2B/2. Масса в точке Аг вращается по часовой стрелке, будучи связана при помощи пружины с точкой В, в которой счи­ тается сосредоточенным поле статора. Так как статор генератора присоединен к сети с ностояинььм напряжением и частотой, то точка В при вращении систехмы не испытывает колебаний; други.ми словами, она вращается с постоянной угловой скоростью со, соответствующей постоянной частоте /. Наоборот, масса в точке Alt будучи выведена из положения равновесия, будет колебаться относительно своего среднего положения с определенной частотой, зависящей от вели­ чины массы т и упругих свойств пружины.

Причиной, выводящей ротор из положения равновесия, является либо изменение вращающего момента приводного двигателя, вызван­

438

ное изменением впуска пара, воды, нефти и т. д., либо изменение нагрузки генератора. При увеличении вращающего момента привод­

новому увеличенному моменту приводного двигателя. По благодаря свойствам данной системы (масса, прикрепленная к пружине) масса т достигает точки А2 с некоторым ускорением и по инерции будет про­ должать двигаться дальше до точки С, пока вся кинетическая энер­ гия массы т не перейдет в потенциальную энергию растянутой пружины.

Затем начнется обратное движение массы т из положения ОС через новое положение равновесия О А 2 в положение OD и т. д. Пру­ жина будет растягиваться и сжиматься, сообщая системе ротора колебания. Эти колебания называются сво­ бодными колебаниями, так как они опреде­ ляются свойствами самой системы.

Видеальном случае, т. е. в системе без рассеяния энергии (без потерь), такие коле­ бания .могли бы продолжаться неопределенно долго, т. е. были бы незатухающими.

Вреальных системах колебания всегда соп­ ровождаются потерями энергии, вследствие чего колебательный процесс с течением времени за­

цели специальные успокоительные обмотки.

Все сказанное о явлении колебания в синхронных генераторах распространяется также и на случай работы синхронного двигателя, который представляет собой лишь частный случай совместной ра­ боты синхронных машин.

Б. Вынужденные колебания. Кроме рассмотренных выше сво­ бодных колебаний, возможны еще вынужденные колебания ротора, вызванные неравномерным вращением приводного двигателя. Это относится в первую очередь к поршневым машинам (паровые машины, газовые двигатели, дизели), которые создают вращающий момент, изменяющийся но величине в течение одного оборота вала.

Паровые и гидравлические турбины имеют постоянный вращаю­ щий момент, не изменяющийся в течение одного оборота.

Колебания ротора, вызванные поршневыми машинами, вызывают колебания электромагнитной мощности и изменение угла 0. Осо­ бенно опасен тот случай, когда период вынужденных колебаний ста­ новится близок к периоду свободных колебаний, так как при этом

439

может наступить резонанс колебаний, при котором качания резко усиливаются, и параллельная работа становится невозможной. Успокоительная обмотка способствует также затуханию вынужден­ ных колебаний.

Г л а в а т р и д ц а т ь в о с ь м а я

ВНЕЗАПНОЕ И УСТАНОВИВШЕЕСЯ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

38-1. Определение и виды внезапного короткого замыкания

Под внезапным коротким замыканием понимают режим короткого замыкания в промежуток времени между начальным моментом корот­ кого замыкания и режимом установившегося короткого замыкания.

На рис. 38-1 показаны схемы одно-, двух- и трехфазного корот­ кого замыкания. Обычно сначала возникает одноили двухфазное короткое замыкание, которое затем может перейти в трехфазное.

Рис. 38-1. Короткое замыкание синхронного ге­ нератора: а — однофазное, о — двухфазное, в — трехфазное

Внезапное короткое замыкание длится весьма короткий проме­ жуток времени и, тем не менее может привести к тяжелой аварии генератора главным образом в результате возникновения весьма значительных динамических эффектов. Это заставило уделить явле­ нию внезапного короткого замыкания большое внимание и исследо­ вать его теоретически и экспериментально.

Ниже рассматривается случай внезапного трехфазного короткого замыкания генератора в предположении, что замыкание произошло не в сети, а на зажимах генератора. При этом условии ток короткого замыкания определяется параметрами только генератора и полу­ чается большим, чем в случае короткого замыкания в сети.

В основу анализа этого сложного явления положено представле­ ние о таком контуре, активное сопротивление которого равно нулю. Предполагая, что сверхпроводник представляет собой замкнутый контур (рис. 38-2), легко показать, что магнитный поток, сцеплен­ ный с сверхпроводящим контуром, остается постоянным по вели­ чине и направлению.

440

денной в контуре какой-нибудь внешней причиной; например, можно представить, что к контуру приближается или, наоборот, удаляется от него постоянный магнит. При этом в контуре возникает ток і, который создает э. д. с. самоиндукции

контура в любой момент времени. Это потокосцепление остается по­ стоянным при всех обстоятельствах. Пусть,

38-2. Токи трехфазного короткого замыкания

Для того чтобы выяснить физическую картину явления при трехфазном коротком замыкании, достаточно взять только одну фазную обмотку и считать, что она состоит из эквивалентной катушки, например А — X (рис. 38-3). Поэтому в дальнейшем слово трехфаз­ ный опускается. Предполагается, что до момента короткого замы­ кания машина работала вхолостую, т. е. = 0, и рассматриваются

441

услотш внезапного короткого замыкания в два различных момента

ротора а. Очевидно, что в начальный момент t = 0, угол а = 0 и, согласно условию, ток короткого замыкания ік = 0.

Если бы машина не была замкнута накоротко, то при повороте ротора от а = 0 до а = л/2 поток г|д,, сцепленный с катушкой, уве­

реакции якоря. Но между потоком реакции якоря при установив­ шемся режиме работы, в частности при установившемся коротком замыкании, и потоком реакции якоря при изучаемом внезапном ко­ ротком замыкании имеется весьма существенная разница.

Действительно, рассматривая поток реакции якоря независимо от основного потока, можно считать, что при установившемся корот­ ком замыкании продольный поток реакции якоря использует те же пути, что и основной поток, а именно сердечники полюсов, ярмо и т. д. (штриховая линия на рис. 38-5, а).

При внезапном коротком замыкании картина резко изменяется. Действительно, согласно условию, обмотка возбуждения и успокои­ тельная обмотка представляют собой сверхпроводящие контуры. Следовательно, сцепленные с ними потоки должны остаться без

442

изменения, а это возможно только в том случае, если в обеих обмот­ ках ротора — возбуждения и успокоительной — возникнут такие по величине и направлению токи, которые не дали бы потоку якоря проникнуть в контуры обмоток ротора, оттеснив поток на путь рассеяния этих обмоток (рис. 38-5, б). Магнитная проводимость такого пути значительно меньше, чем магнитная проводимость нор­

мального пути по стали ротора. Поэтому для создания данного зна­ чения потока якоря i|)ad требуется при внезапном коротком замыка­ нии значительно большая намагничивающая сила якоря и, следо­ вательно, значительно больший ток ік, чем при установившемся ко­ ротком замыкании (т|) = гЛ). В якоре получается бросок тока, дости­ гающий своего наибольшего значения через четверть периода после замыкания машины накоротко (рис. 38-4, а).

Изменение тока в обмотке возбуждения, создающей основной поток машины Фп, может быть определено из следующих соображе­ ний. Если бы поток якоря i|'ad с первого же момента времени внезап­ ного короткого замыкания мог пройти в сердечник полюса, как это

443

показано штриховой линией на рис. 38-5, а, то, будучи направлен встречно относительно основного потока, он, несомненно, уменьшил бы его и, следовательно, уменьшил бы число его иотокосцеплений с обмоткой возбуждения. Но, как было сказано выше, это невоз­ можно, поскольку рассматривают обмотку возбуждения как сверх­ проводящий контур. Чтобы предупредить это уменьшение, в обмотке возбуждения должен возникнуть ток, имеющий то же направление, что и нормальный ток возбуждения (рис. 38-4, б), так как только при этом условии может быть скомпенсировано встречное действие по­ тока якоря и он будет вытеснен на пути рассеяния обмотки возбу­ ждения.

Сказанное можно повторить и в отношении успокоительной об­ мотки с той, однако, разницей, что до момента внезапного короткого

Рис. 38-5. Распределение иотокосцеплений: а —до короткого замыкания, о — в момент короткого за­ мыкания

замыкания ток в ней равен нулю (рис. 38-4, в), тогда как ток обмотки возбуждения имеет величину / в.

При идеально сверхпроводящем контуре картина потоков, пока­ занная на р.ис. 38-5,6, продолжала бы существовать неопределенно долго. 13 действительности обмотки ротора обладают некоторыми активными сопротивлениями, вследствие чего эта картина посте­ пенно меняется, переходя в обычную картину установившегося ко­ роткого замыкания с гораздо меньшим током Іп (правая часть рис. 38-4, а).

Такой переход от одного режима с большим током к другому ре­ жиму с меньшим током называется затуханием процесса. >3 теорети­ ческой электротехнике доказывается, что затухание процесса зави­ сит от так называемой постоянной времени Т данного контура. По величине Т = Ыг, т. е. постоянная времени, выражаемая в секун­ дах, представляет собой отношение индуктивности контура L к его активному сопротивлению г. При г = О (сверхпроводник) постоян­ ная Т = оо, т. е. процесс затухания продолжается бесконечно дол­ гое время. При г Ф- 0 процесс затухает тем быстрее, чем больше г.

Постоянная времени успокоительной обмотки обычно значительно меньше, чем постоянная времени обмотки возбуждения, так как L

444

успокоительной обмотки относительно мала, а г — велико. Поэтому в успокоительной обмотке ток затухает очень быстро, а в обмотке возбуждения значительно медленнее. При затухании тока в каждой из этих обмоток устраняется причина, которая препятствовала про­ никновению потока якоря ф(,гі в соответствующий контур.

Из сказанного следует, что поток якоря проникает сначала в кон­ тур успокоительной обмотки (рис. 38-6), а затем — обмотки возбуж-

•дения (рис. 38-7), после чего режим перейдет в режим установивше­ гося короткого замыкания.

Чтобы выяснить характер процесса затухания токов в обмотках ротора и статора, необходимо принять во внимание, что в режиме внезапного короткого замыкания эти обмотки связаны между собой магнитно, наподобие первичной и вторичной обмоток трансформа­ тора, и должны находиться в постоянном взаимодействии между собой,

а для этого поля обмоток ротора и статора должны вращаться в одну сторону с одинаковой скоростью.

Поле, создаваемое токами внезапного короткого замыкания в ста­ торе, вращается относительно статора с синхронной скоростью п; в ту же сторону и с той же скоростью п вращается ротор; поэтому поля, создаваемые токами в обмотках ротора, должны быть непод­ вижны относительно ротора, так как только в этом случае обеспечи­ вается постоянное электромагнитное взаимодействие между нолями статора и ротора. Неподвижные относительно ротора ноля могут создаваться только такими токами в обмотках ротора, которые имеют постоянное направление, и притом, как это было показано выше, совпадающее с направлением основного тока возбуждения / в (рис. 38-4, б и в).

Из сказанного следует, что в рассматриваемых условиях постоян­ ное электромагнитное взаимодействие между полями статора и ротора осуществляется при условии, что токи в обмотке якоря носят перио­ дический характер и имеют частоту / (рис. 38-8, б и г), а токи в об­ мотках индуктора являются апериодическими (рис. 38-8, а и в). Составляющая тока в якоре, соответствующая успокоительной об­ мотке (рис. 38-8, б), называется сверхнереходпой составляющей тока внезапного короткого замыкания, а составляющая, соответствующая

445

обмотке возбуждения (рис. 38-8, г), — переходной составляющей тока внезапного короткого замы­ кания. Каждая из этих состав­ ляющих тока, будучи электромаг­ нитно связана с соответствующим током в индукторе, затухает, при­ чем, согласно сказанному выше, сначала затухает сверхпереходная составляющая тока, а затем пере­ ходная.

По окончании процесса зату­ хания ток внезапного короткого замыкания переходит в установив­ шийся ток короткого замыкания ік (рис. 38-8, д). Таким образом, ток внезапного короткого замы­ кания в статоре можно рассмат­ ривать как сумму трех токов: сверхпереходного, переходного и установившегося. Если вычертить линии, сгибающие периодические токи в якоре (штриховые линии, на рис. 38-8, б, з и д) и продол­ жить их до пересечения с осью ординат, то получатся начальные, т. е. отнесенные на момент времени t = 0, амплитуды сверхпереход­ ной, переходной и установившей­ ся составляющих тока в статоре

I т 1 І-т, И I т*

Суммарный ток внезапного ко­ роткого замыкания и соответствую­ щая ему огибающая изображены на рис. 38-8, е. Амплитуда этого

446