5.2. Влияние параметров на характеристики электрических машин

Существенное влияние на характер электромагнитных и электромеханических процессов и режимы работы оказывает величина параметров электрических машин.

При одинаковой физической природе характер переходных процессов в синхронных и асинхронных машинах не одинаков.

Наиболее напряженными и ответственными при эксплуатации электрических машин являются переходные режимы, электромагнитные процессы при которых определяются параметрами.

Переходные процессы в асинхронных машинах возникают при пуске, изменении нагрузки, коротком замыкании, изменении напряжения, частоты питающего тока, обрыва фазы, торможении, а в синхронных машинах, кроме перечисленных при втягивании в синхронизм, набросе и сбросе нагрузки, работа при выпадении из синхронизма, гашении магнитного поля и др. Поэтому представляется целесообразным оценить влияние параметров на переходные токи, электромагнитные моменты и перенапряжения. Вместе с тем представляется интересным оценить влияние параметров на потери мощности и стоимость электрических машин.

Оценка влияния параметров на переходные токи в машинах. В электрических машинах переменного тока ударные токи короткого замыкания могут достигать 30-кратного значения от номинального.

При трехфазном коротком замыкании максимальная краткость ударного тока может быть грубо оценена как . Здесь и в дальнейшем - сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси (сверхпереходная реактивность по продольной оси). Она в относительных единицах имеет порядок 0,12 - 0,3.

У асинхронных машин больше, чем в синхронных и величина практически такая же, что и краткость пускового тока в долях номинального. В короткозамкнутом асинхронном двигателе кратность пускового тока может составлять 4-7. При этом кратность ударного тока трехфазного короткого замыкания составляет 7-13.

У синхронных машин сверхпереходная реактивность по продольной оси - , определяется полями рассеяния якорной и демпферной обмоток, а также обмотки возбуждения. Велико влияние демпферной обмотки. При наличии демпферной обмоткименьше, поэтому ударные токи короткого замыкания больше, чем при отсутствии токовой.

Наибольшими в синхронных машинах являются кратности токов однофазного короткого замыкания. Они пропорциональны отношениям , где- реактивность обратного следования фаз,- сверхпереходная реактивность по поперечной оси;- реактивность нулевого следования фаз. Кратности ударных токов однофазного короткого замыкания может быть больше, чем трехфазного в 1,3÷1,4.

Максимальные кратности могут быть при неправильной синхронизации машины в момент включения в сеть. В этом случае токи могут быть вдвое больше, чем при внезапных коротких замыканиях и кратность ударного тока может превысить 30 от номинального тока.

Оценка влияния параметров на электромагнитный момент. В установившемся режиме синхронной машины электромагнитный вращающий (тормозной) пропорционален -, где- продольное синхронное индуктивное сопротивление статора (продольная синхронная реактивность);- угол нагрузки (угол между ЕДС и напряжением).

В машинах с явновыраженными полюсами ротора, возникает дополнительный реактивный момент пропорциональный , где- синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси.

Максимальные электромагнитные моменты при коротких замыканиях имеют порядок в долях базового момента, соответствующего номинальной мощности машины (в ква) при синхронной скорости вращения.

Если , то кратность максимального момента может достигать 13 и более.

В переходном режиме в машине действуют дополнительные затухающие моменты одного знака или пульсирующие с частотой первой и второй гармонических составляющих или частоту близкую к нулю.

Оценка влияния параметров на перенапряжения. Кратность перенапряжений существенно зависит от параметров машины.

Например, при двухфазном коротком замыкании на свободной фазе кратность перенапряжений может составить

.

В машине, не имеющей на роторе демпферной обмотки с параметрами ;могут возникнуть перенапряжения свободной фазе с краткостью

.

В машине, включенной на линию электропередачи с большой емкостью и соответственно малым , могут возникнуть еще более значительные перенапряжения из-за резонансных явлений одной из гармоник кривой напряжения.

Резонанс наблюдается, когда отношение равно квадрату целого числа 1, 2, 3 и т.д. Практическую опасность представляет резонанс на 3-й, 5-й и 7-й гармониках, т.е. когда отношениеблизко к 9,25 и 49 соответственно.

Оценка связи стоимости машины с параметрами. Между стоимостью и параметрами электрической машины существует определенная связь поскольку величины индуктивных сопротивлений зависят от электромагнитных нагрузок и соответствующих магнитных сопротивлений.

Зависимости веса и стоимости, например, синхронных машин могут быть аппроксимированы формулами:

, ,

где и- соответственно вес и стоимость в долях некоторой базисной величины,- показатели степени. Величинаменяется в зависимости отили,где- линейная токовая нагрузка. Величина полюсного деления определяет использование материалов, причем при малых в явнополюсных машинах уменьшается междуполюсный промежуток, поэтому затрудняется размещение обмотки возбуждения.

Увеличение зазора приводит к увеличению тока возбуждения, увеличению потерь и повышению температуры обмоток возбуждения. Очевидно, что увеличение воздушного зазора введет к уменьшениюи при этом при неизмененномпроисходит или увеличение потерь, или увеличение расхода меда в роторе.

При малых значениях происходит увеличение потерь на поверхности ротора. Поэтому существует оптимальные соотношения к . Снижениеза счетведет к росту размеров и удорожанию машины.

По условиям устойчивости требуется снижение , которая определяется магнитной проводимостью рассеяния статора и ротора. Для уменьшенияв синхронных явнополюсных машинах приходится уменьшать высоту и увеличивать ширину пазов, а также уменьшать высоту полюсов. Увеличение ширины пазов при данных размерах машины ведет к резкому росту индукции в зубцах, а уменьшение высоты пазов ведет к росту потерь из-за увеличения плотности тока и нагреву обмоток.

Поэтому снижение переходной реактивности достигается снижением использования, а, следовательно, увеличением веса и стоимости машины.

Влияние на вес и стоимость синхронных явнополюсных машин оценивается формулой

,

где - коэффициент пропорциональности .Величина сверхпереходного индуктивного сопротивления по продольной оси в явнополюсных машинах мало сказывается на стоимости машины, поскольку оно может в широких пределах меняться за счет изменения числа и проводимости демпферных стержней.