Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Синхронные машины. Часть 2. Учебное пособие
.pdf
Изменение тока возбуждения синхронной машины приводит к изменению
a
I
a
I
ва
Ф Ф Ф Ф
0ген a c
U E E E U const
a
I
a
Ф
a
I
a
Ф
Ф
только реактивной составляющей тока
, а следовательно ее реактивной
мощности. Работа в режимах перевозбуждения и недовозбуждения
используется в синхронных компенсаторах для повышения коэффициента
мощности электроустановок, снижения потерь и стабилизации напряжения в
электрических сетях [2].
Возникновение реактивной составляющей тока
физически объясняется
тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой
мощности суммарный магнитный поток
, сцепленный с
каждой из фаз, не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается
неизменным, поскольку
. (1.2)
При превышении током возбуждения необходимого значения возникает
отстающая составляющая тока
реакции якоря
. Если ток возбуждения ниже необходимого значения, то
возникает опережающая составляющая тока
намагничивающий поток реакции якоря
, которая создает размагничивающий поток
, которая создает
. Суммарный поток машины
автоматически поддерживается неизменным [9].
1.3. Синхронный компенсатор
Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель,
который работает без нагрузки на валу. Он служит для генерирования
реактивной мощности, которая необходима для работы различных приемников
электроэнергии (асинхронных двигателей, трансформаторов и так далее).
Синхронный компенсатор применяется в режимах повышения коэффициента
мощности и стабилизации напряжения в сети [16].
11
c
U
z
I
z
I
c
U
Z
Z
К
I
cZК
I I I
c
c
U
c
I
Z
cZ
II
К c К
Q mU I
К
S
0
P
Рис. 1.4. Применение синхронного компенсатора для повышения
коэффициента мощности
Если генераторы электростанций и линии электропередачи загружены
отстающим реактивным током, то синхронный компенсатор работает в режиме
перевозбуждения. На рис. 1.4, а показана векторная диаграмма напряжения
сети
на угол
и тока
в цепи нагрузки Z. Ток
отстает по фазе от напряжения
. После подключения параллельно нагрузке
перевозбужденного синхронного компенсатора СК с опережающим
реактивным током
между векторами
сети будет меньше (
(рис. 1.4, б) в цепи возникает ток
и
будет значительно меньше угла
). Генераторы электростанций и линии
. Угол
. Величина тока в
электропередачи разгружаются, потери энергии уменьшаются. Мощность
синхронного компенсатора определяется величиной реактивной мощности,
которую он должен компенсировать. Реактивная мощность компенсатора
отличается от его полной мощности
потери близки к потерям холостого хода
. Активная мощность, потребляемая
на величину потерь. Эти
из сети, идет на покрытие потерь в компенсаторе. Номинальной мощностью
синхронного компенсатора является мощность при перевозбуждении,
поскольку при опережающем токе наблюдается повышенный нагрев его
обмоток [2].
12
В режиме стабилизации напряжения ток возбуждения синхронного
0
E
cH
U
c c c c c c
U I R cos I X sin
c
R
c
X
a
I
ac
IX
a
I
ac
IX
компенсатора устанавливается постоянным. При этом значение эдс
равняется номинальному напряжению сети
. Падение напряжения в сети
, (1.3)
где
и
– активное и индуктивное сопротивление сети.
Если напряжение в сети несколько понижается из-за возрастания тока
нагрузки и становится меньше номинального, то компенсатор работает в
режиме перевозбуждения. Он забирает из сети реактивный опережающий ток
. Падение напряжения в сети уменьшится на величину
. При малых
нагрузках (например, во время ночного минимума) под влиянием емкостных
сопротивлений линии напряжение у потребителей может быть выше, чем на
подстанции. Для стабилизации напряжения в сети компенсатор работает в
режиме недовозбуждения и загружает сеть реактивным отстающим током
.
Падение напряжения в сети увеличится на величину
. При достаточной
мощности синхронного компенсатора колебания напряжения в сети не
превышают 0,5 – 1,0%. Недостатком данного метода стабилизации напряжения
является то, что синхронный компенсатор загружает линию реактивным током.
Это увеличивает потери в ней [9].
Синхронные компенсаторы изготавливаются на мощности до 160 МВАр
и напряжением до 16 кВ при частоте 50 Гц. Они преимущественно
выполняются с горизонтальным расположением вала, явнополюсным ротором с
пусковыми обмотками, имеют водородное охлаждение. Синхронные
компенсаторы не развивают активной мощности. В связи с этим отпадает
необходимость в решении вопросов об их статической устойчивости при работе
в сети и перегрузочной способности. Поэтому компенсаторы выполняются с
меньшим воздушным зазором, чем синхронные генераторы и двигатели. Это
облегчает их конструкцию и снижает стоимость. Наиболее важны для
13
синхронного компенсатора его U-образные характеристики. Они определяют
в
Ф
0В
I
ad
Ф
в
Ф
ДВ
i
основные параметры – значения токов в обмотке статора и в обмотке
возбуждения. Регулирование возбуждения синхронных компенсаторов
выполняется автоматически [2].
1.4. Переходные процессы в синхронных машинах
Переходные процессы, возникающие при внезапных коротких
замыканиях, изменениях нагрузки могут привести к аварии, нарушить
параллельную работу синхронных генераторов и электроснабжение
потребителей. На практике необходимо иметь представление о физических
процессах, которые протекают в машинах, для расчета аварийных токов,
настройки устройств релейной защиты, выбора элементов систем
электроснабжения.
Установившиеся режимы работы синхронного генератора с
симметричной нагрузкой характеризуются тем, что в сердечнике и обмотках
ротора не индуктируются никакие токи. При переходных процессах и
несимметричных нагрузках между статором и ротором возникают
трансформаторные связи [16].
1.4.1. Внезапное короткое замыкание
При рассмотрении переходного процесса синхронного генератора
большой мощности пренебрегают сопротивлением его обмоток. Пусть
предварительно синхронный генератор работает в режиме холостого хода. В
этом режиме имеет место только магнитный поток
который вызван током
поток статора по продольной оси
. При коротком замыкании появляется магнитный
, поскольку обмотка статора представляет
обмотки возбуждения,
собой чисто индуктивную нагрузку. Этот поток вращается синхронно с
ротором и направлен против потока
успокоительной обмотке будут индуктироваться дополнительные токи
. При этом в обмотке возбуждения и
и
14
ДУ
i
. Эти токи в соответствии с правилом Ленца препятствуют изменению
ДВ
Ф
ДУ
Ф
ad
Ф
ad ad
ФФ
dd
xx
*
0,12 0,35
d
x
0
E
0
2
m
Km
dd
EE
I
xx
ДВ
i
ДУ
i
0,12 0,35
d
T
ДУ
i
ДВ
i
ad ad
ФФ
результирующего магнитного потока в машине. Магнитные потоки
и
, индуцированные соответствующими токами, противодействуют
проникновению потока
в сердечник ротора. Они вытесняют его в
воздушный зазор между полюсами (рис. 1.5, а). В результате этого поток
статора значительно уменьшается до значения
. Уменьшается также
индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси, т.е.
Его называют сверхпереходным индуктивным сопротивлением, относительное
значение
[9]. В начальный момент процесса короткого
замыкания эдс синхронного генератора близка по величине к эдс холостого
хода
. Это вызывает бросок тока, амплитудное значение которого в обмотке
статора при сверхпереходном процессе определяется выражением
.
. (1.4)
Обмотка возбуждения и успокоительная обмотка имеют активное
сопротивление. Поэтому токи
и
будут постепенно затухать. Этот
процесс быстрее идет в успокоительной обмотке, поскольку обмотка
возбуждения имеет большее число витков и обладает большей
индуктивностью.
При сверхпереходном процессе постоянная времени
с
определяет затухание тока статора и зависит в основном от параметров
успокоительной обмотки [9]. Когда ток
дополнительный ток
еще имеет некоторое значение. При этом магнитный
уменьшается до нуля,
поток реакции якоря частично будет проходить через ротор, отчего его
величина несколько возрастет до значения
.
15
ad ad
xx
*
0,2 0,5
d
x
mKm
d
E
I
x
0,4 3,0
d
T
ДВ
i
0В
I
ad ad
ФФ
ad ad
xx
а) б)
Ф
к
Ф
σ
Ф
аd
Ф
в
Ф
ДУ
Ф
ДУ
Ф
ДВ
Рис. 1.5. Картина магнитного поля при внезапном
Сопротивление обмотки статора по продольной оси также возрастает, т.е.
. Оно называется переходным индуктивным сопротивлением и его
относительное значение
значение тока короткого замыкания в обмотке статора при переходном
процессе уменьшится до значения
Скорость уменьшения тока в обмотке статора определяется переходной
постоянной времени
параметров обмотки возбуждения [9]. Через некоторое время добавочный ток
уменьшится до нуля. Результирующий ток обмотки возбуждения снижается
до установившегося значения
процессу. При этом поток статора будет полностью замыкаться через ротор.
Его величина снова возрастет, т.е.
[9]. Наибольшее амплитудное
(1.5)
с, которая зависит в основном от
, которое предшествовало переходному
. Сопротивление обмотки статора
по продольной оси достигает значения
результирующий магнитный поток (рис. 1.5, б)
. В генераторе устанавливается
16
K В ad
Ф Ф Ф
. (1.6)
m
Km
d
E
Ix
Рис. 1.6. Осциллограммы токов при внезапном коротком замыкании
синхронного генератора.
I – сверхпереходный процесс; II – переходный процесс;
III – установившееся короткое замыкание
С уменьшением магнитного потока, сцепленного с обмоткой статора,
уменьшается эдс статора. Это приводит к уменьшению тока короткого
замыкания до установившегося значения, который меняется с амплитудой
. (1.7)
На рис. 1.6 представлены осциллограммы токов синхронного генератора
при внезапном коротком замыкании [16].
17
Закон изменения тока статора подобен изменению тока трансформатора
К КП КА
i i i
КП
i
КП
i
0
0
,
dd
dd
tt
TT
КП Km Km Km Km Km K
tt
TT
m m m m m
d d d d d
i I I e I I e I sin t
E E E E E
e e cos t
x x x x x
2
K
K
K
x
arctg
r
0
0
t
KiKПiKА
i
i
Рис. 1.7. График изменения тока в обмотке
статора при коротком замыкании
при коротком замыкании. Однако переходный процесс в синхронной машине
сложнее из-за наличия нескольких обмоток, которые влияют друг на друга.
Синхронный генератор предварительно работал в режиме холостого хода. При
переходном процессе ток статора имеет периодическую и апериодическую
составляющие [9]:
. (1.8)
При коротком замыкании генератора с течением времени уменьшается
амплитуда периодической составляющей тока статора
(рис. 1.7). Она
становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания.
Процесс изменения
описывается выражением
(1.9)
где
;
– начальный угол, характеризующий в данный
момент времени величины эдс и тока в фазах обмотки синхронного генератора.
18
Апериодические составляющие токов в фазах статора создают
00
1 1 1 1
2,
2
a
t
T
m
КА
d q d q
E
i cos cos t e
x x x x
q
x
a
T
dq
a
a
xx
T
r
d
x
q
x
dq
xx
0
a
t
T
m
КА
d
E
i e cos
x
00
.
dd
a
tt
TT
m m m m m
К КП КА
d d d d d
t
T
m
d
E E E E E
i i i e e
x x x x x
E
cos t e cos
x
К
i
0
0
неподвижное в пространстве магнитное поле, которое пересекает
вращающийся ротор. В результате в обмотках ротора возникают периодические
эдс и токи. Ротор несимметричен по осям d и q из-за разных величин
воздушного зазора в явнополюсных машинах, а также расположения по
продольной оси обмотки возбуждения. В апериодическом токе якоря
появляется переменная составляющая двойной частоты, которая описывается
выражением
где
обмотки якоря;
Величины
– поперечное сверхпереходное индуктивное сопротивление
– постоянная времени апериодического тока якоря.
и
успокоительной обмотки
Выражение (1.8), характеризующее полный ток короткого замыкания, с
(1.10)
. (1.11)
определяются экспериментально. При наличии
выражение (1.10) примет вид
. (1.12)
учетом (1.9) и (1.12) запишется как
Значение тока
максимально в той фазе, где
полпериода после начала короткого замыкания). Это значение называют
ударным током:
19
(1.13)
(примерно через
1,05 1,8 2
aH
УД
d
U
Ix
, (1.14)
K уст
I
K уст
I
K уст
I
где коэффициенты 1,05 и 1,8 учитывают затухания токов в обмотках и
возможность работы при повышенном напряжении [9].
Значение ударного тока не должно превышать амплитуду номинального
тока статора более чем в 15 раз. При этом установившийся ток короткого
замыкания
превышает номинальный ток примерно в 1,5 раза у
турбогенераторов и примерно в 2,5 раза у гидрогенераторов. Кратность
ударного тока не ограничивается. Синхронные машины должны выдерживать
ударный ток короткого замыкания при напряжении холостого хода, равном
105% номинального. Значения
могут оказаться меньше номинального.
Это вызвано размагничивающим действием реакции якоря при установившемся
коротком замыкании. Для ограничения ударного тока в цепи якоря применяют
реакторы. Нагрев обмоток, вызванный неустановившимися токами короткого
замыкания, невелик. Он опасен, когда ток
выше номинального и
короткое замыкание долго не устраняется. При замыкании витков внутри
обмотки ток в них достигает большой величины и долго не затухает. В
результате изоляция прогорает и происходит замыкание короткозамкнутой
секции машины на корпус [16].
При внезапном коротком замыкании синхронного генератора возникают
значительные электромагнитные силы. Они представляют опасность для
лобовых частей обмоток статора. Электромагнитные моменты, действующие на
ротор и статор, могут превышать значения для номинального режима в 10 раз.
Это необходимо учитывать при механических расчетах деталей машины и
надежности ее крепления к фундаменту [9].
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]