5 Синхронные машины

5-1. Назначение, устройство и принцип действия

Синхронные машины используются главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях. Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода. В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель генераторы. Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, гидрогенераторы – гидротурбинами, дизель генераторы – двигателями внутреннего сгорания.

Синхронной машиной переменного тока называется такая машина, скорость которой находится в строгой зависимости от частоты. Ротор вращается с такой же скоростью, что и поле статора

Турбогенераторы изготовляются на синхронную скоростьn=3000-1500 об/мин, мощностью 125; 320; 500; 800; 1000; 1200 МВт. Статор (якорь) синхронной машины аналогичен асинхронной машине. Он набирается из листов электротехнической стали (1). В пазах статора расположены три фазы, сдвинутые относительно друг друга на 120 электрических градусов (2), рис. 254. (3) индуктор явнополюсной машины, (4) обмотка возбуждения, (5) контактные кольца. Ротор (индуктор) в синхронном турбогенераторе выполняется неявнополюсным. На роторе расположена обмотка возбуждения (2), которая питается от источника постоянного тока. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки высококачественной стали (рис. 254 ), и укрепляют немагнитными клиньями.

Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления, рис. 255.

Диаметр ротора не должен превышать 1.0-1.5м длина ротора составляет 7-8 метров.

Охлаждение элементов турбогенератора осуществляется водородом, трансформаторным маслом, дистиллированной водой.

Гидрогенераторы. Эти машины приводятся во вращение тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50-500 об/мин. Поэтому их выполняют с большим числом полюсов и явнополюсным ротором. Диаметр ротора гидрогенератора достигает у мощных машин 16м при длине 1.75м (640 МВА) на ободе ротора крепятся полюса с обмоткой возбуждения. Полюса изготовляют из листовой стали.

Охлаждение элементов гидрогенератора чаще всего осуществляется водой.

Кроме синхронных генераторов имеются синхронные двигатели и синхронные компенсаторы.

Работа синхронного генератора при холостом ходе

При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения, причем он направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах обмотки якоря ЭДС сдвинутых по фазам наэлектрических градусов. . Величину ЭДС Е0 можно регулировать изменяя ток возбуждения . Характеристика будет представлять собой зависимость ЭДС от тока возбуждения. В синхронных машинах основные параметры выражаются в относительных единицах , , гдеiвн- ток возбуждения, соответствующий номинальному напряжению при холостом ходе.

Характеристика холостого хода в относительных единицах называется стандартной (рис. 256). Т.к. генератор является источником напряжения, то к нему предъявляются требования относительно синусоидальности полученной ЭДС. Величина искажения ЭДС должна быть не более 5% для машин средней и большой мощности, и не более 10% для машин мощностью до 1000 квА.

Рис. 256

Коэффициент искажения ЭДС .

Кривая ЭДС определяется магнитным полем, поэтому при конструировании машин обращают внимание на то, чтобы соблюдалось синусоидальное распределение поля. В машинах с явными полюсами это достигается за счет скоса полюсных наконечников, а в машинах неявнополюсных- за счет строгого расположения пазов на полюсном делении.

5-2. Реакция якоря в синхронном явнополюсном генераторе

Как было сказано выше, при холостом ходе магнитный поток создается обмоткой возбуждения. В явнополюсной машине магнитный поток Ф₀направлен по продольной осиd-d, рис 85. Так как магнитное сопротивление по продольнойd-dи поперечной осям различное, то в явнополюсной машине все процессы рассматривают по двум осям – продольнойd-dвдоль индуктора и поперечнойq-qоси. Если теперь замкнуть обмотку статора (якоря) на нагрузку, то под действием ЭДС Е₀по обмотке будет протекать ток, который создает свой магнитный поток. Взаимодействие потока якоря с потоком обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Намагничивающая сила ротора вращается с синхронной скоростью, вращение магнитного поля статора также синхронное (n₁=60f₁/p), т.е. они друг относительно друга неподвижны. Однако действие реакции якоря зависит от характера нагрузки. Нагрузка может быть активной, индуктивной, емкостной, либо смешанной. При рассмотрении реакции якоря на статоре будем изображать одну фазу вместо трех. Из общей теории машин переменного тока известно, что ось потока трехфазной обмотки совпадает с осью той фазы, где ток максимален, поэтому рассмотрим случай, когда ток в одной из фаз статора максимален.

5-2-1. Реакция якоря при активной нагрузке

Кривая намагничивающей силы ротора есть синусоида. Кривая намагничивающей силы реакции якоря так же синусоидальная. Реакция якоря на набегающем крае размагничивает основной поток, а на сбегающем крае намагничивает. Как видно из рис. 257 при активной нагрузке реакции якоря поперечная. Намагничивающая силаFaq– намагничивающая сила поперечной реакции якоря.

Если машина неявнополюсная, то Faqдает нам в каком-то масштабе кривую распределения индукции. А для машин с явными полюсами эта кривая не будет аналогична кривой распределения индукции, так как зазор по осям не одинаков. Поэтому в кривой индукции появляются провалы в межполюсных местах из-за большого магнитного сопротивления.

Однако с такой кривой индукцииBaqиметь дело не удобно, поэтому предпочитают сводить эту кривую к эквивалентной синусоиде, имеющей равную площадь, при этом поступают следующим образом: намагничивающую силуF¹aqсоответствующую эквивалентной синусоиде, определяютF¹aq=Faq*Kq, где Kq- коэффициент поперечной реакции якоря, который зависит от коэффициента магнитного перекрытия для машинKq=0.2-0.5.

Определив, таким образом, эквивалентную синусоиду, можно найти поток. Таким образом, при чисто активной нагрузке реакция якоря – поперечная.

5-2-2. Реакция якоря при индуктивной нагрузке

Теперь рассмотрим случай, когда нагрузка генератора чисто реактивная, т.е. ток якоря отстает от ЭДС на 90. Если нагрузка индуктивная и ток отстает от ЭДС на 90, то взаимное расположение полюсов и активных сторон фазы, в которых будет максимальный ток будет тогда, когда ротор уйдет на половину полюсного деления (на 90 эл. градусов). Магнитные линии потока якоря будут замыкаться иначе, чем в первом случае. Поток якоря, при этом, будет проходить по тому же пути, что и поток обмотки возбуждения, но направлен встречно. Поэтому если нагрузка чисто индуктивная, то реакция якоря будет продольно размагничивающая. На рис. 86 представлена картина пространственного расположения потоков, в развернутом виде представлены н.с. F₀ и Fad и векторная диаграмма при чисто индуктивном характере нагрузки. Кривая распределения индукции якоря для явнополюсной машины также будет иметь провалы.

Рис. 258

Здесь также действительную кривую распределения индукции заменяют эквивалентной синусоидой.

F¹ad=Fad*Kd, где Kd – коэффициент продольной реакции якоря. Kd=0.8-0.95. Таким образом, при индуктивной нагрузке реакция якоря будет продольной и будет действовать размагничивающим образом.

5-2-3. Реакция якоря при емкостной нагрузке

Рис. 259

При емкостной нагрузке ток якоря опережает ЭДС на эл. градусов. Поэтому максимум тока в фазе наступает тогда, когда северный полюс не дойдет до фазы статора на 90. При этом поток якоря и поток обмотки возбуждения будут направлены в одну сторону (см. рис. 259) и реакция якоря будет продольно намагничивающая.

5-2-4. Реакция якоря при смешанной нагрузке

В действительности у синхронных генераторов таких идеальных случаев нагрузки нет. Реально нагрузка генератора активно-индуктивная, либо активно емкостная. Рассмотрим активно-индуктивный характер нагрузки. При этом ток якоря разлагают по осям. Активная составляющая будет давать поперечную реакцию якоря, а реактивная – продольную. Рассмотрим случай, когда ток отстает от ЭДС на угол ψ. Для определения влияния реакции якоря нужно выделить активную и реактивную составляющие тока.

Ток Iq создает намагничивающую силу Faq, а ток Id намагничивающую силу Fad. Фaq будет искажать магнитный поток, а Фad размагничивать. Реакция якоря определяется путем разложения, рис. 260.

5-2-5. Магнитное рассеяние

Кроме основного магнитного потока, пронизывающего обе обмотки, имеется поток рассеяния. Этот поток охватывает только обмотку статора.

Различают три части потока рассеяния: пазовое зубцовое и лобовое.

Поток рассеяния обуславливает собой индуктивное сопротивление. Он индуктирует ЭДС рассеяния. Посмотрим от чего зависит ЭДС рассеяния и реактивное сопротивление. Определим поток рассеяния Ф_s.

В основу определения потока Ф_s положено понятие удельной магнитной проводимости

Ф_s=2eW_kλ¹i.

Эта формула написана из расчета приведенной удельной магнитной проводимости. Под которой понимается число магнитных силовых линий, пронизывающих катушку при прохождении тока в ней в один ампер, при числе витков равном единице и отнесенной к единице длины активной стороны. Ток i=I_msin(ωt) с другой стороны по закону электромагнитной индукции можем написать:

если теперь сюда подставить поток Ф_s и значение тока, то получим

e_sk= - W_sk d(2eW_kλ¹I_msinwt) = -2eW_k²λ¹wImcoswt

dt

где амплитуда ЭДС рассеяния E_sm=2eW_k²λ¹ωI_m, действующее значение ЭДС рассеяния.

E_sk=4пf₁eW_k²λ¹I – выражение ЭДС для катушки, а для фазы:

E_s=4пf₁e(pq)W_k²λ¹I=X_sI, E_s=IX_s – ЭДС рассеяния, а индуктивное сопротивление Х_s равно:

X_s=4пfepqW_k²λ¹ – это выражение верно для любого типа обмоток, дело только заключается в определении λ¹, которая зависит от типа обмотки. В синхронных машинах сопротивления обычно выражаются в относительных единицах.

, где

Обычно X_s^*=0.1 - 0.14.

5-3. Рабочий процесс синхронной машины

Наиболее важной величиной для синхронного генератора является напряжение. Оценка генератора производится по изменению напряжения. Показателем изменения напряжения является относительное изменение напряжения – это разность между напряжением машины при холостом ходе и напряжением при нормальной нагрузке выраженная в процентах от U_н.

Устанавливается эта величина при постоянстве тока возбуждения и при постоянстве числа оборотов. При автономной работе машины величина ΔU может достигнуть 30%- 50%. Уменьшение напряжения обусловлено реакцией якоря и падением напряжения на реактивном сопротивлении. Синхронные машины изучаются с применением векторных диаграмм, где используются либо диаграммы ЭДС, либо диаграммы намагничивающих сил с учетом насыщения.

5-3-1. Основная диаграмма ЭДС явнополюсного синхронного генератора

При построении этой диаграммы используется метод двух реакций. Разлагают реакцию якоря на поперечную и продольную и строят диаграмму. При холостом ходе существует поток Ф_0. При нагрузке появляется поток якоря Ф_а. В результате взаимодействия Ф₀ и Ф_а образуется результирующий поток Ф_δ, и так, при нагрузке реально существует два потока, это результирующий поток Ф_δ и поток рассеяния Ф_s.

Для построения диаграммы предполагается, что в синхронной машине существуют независимые потоки:

Ф₀ – основной поток возбуждения,

Ф_aq – поток поперечной реакции якоря,

Ф_ad – поток продольной реакции якоря,

Ф_s – поток рассеяния.

Эти потоки в обмотке якоря будут индуцировать свои ЭДС, а сумма этих ЭДС дает на выходе напряжение генератора. Каждая ЭДС будет отставать от своего потока на 90 эл. гр.

Ф₀ → Ė₀

I_q → Ф_ad → Ė_aq

I_d → Ф_ad → Ė_ad

Ф_s → Ė_s

Ė_a = -Ir₁

Исходя из этого, построим основную диаграмму ЭДС для явнополюсной синхронной машины, рис 261.

Рис. 261

Поток Ф₀ наводит в обмотке якоря ЭДС Е₀, поток Ф_S наводит ЭДС Е_S. где: Iq и Id – активная и реактивная составляющие тока якоря. Используя эту диаграмму можно получить углы θ и φ, а также Ur. Токи Iq и Id создают потоки Фad и Фaq которые создают в обмотке якоря ЭДС Ead и Eaq. Сложив геометрически все эти ЭДС, получим на зажимах машины выходное напряжение генератора Ur. Но в современной теории синхронных машин пользуются рядом параметров, для обоснования которых основную диаграмму ЭДС необходимо преобразовать. Если ЭДС рассеяния Es = IХs, то остальные ЭДС можно выразить аналогичным выражением.

5-3-2. Преобразованная диаграмма ЭДС явнополюсной синхронной машины

Преобразование будет сводиться к тому, что, разложив ЭДС рассеяния по осям, и прибавив их к ЭДС Ead и Eaq, получим из 3 ЭДС две и попутно получим выражения индуктивных сопротивлений синхронных машин.

CN=BM=Essinψ=IXssinψ

AB=Ead=IdXad=IXadsinψ

AM=CN+AB=IXssinψ+IXadsinψ=Isinψ(Xs+Xad)=IdXd=Ed,

Xd=Xs+Xad, где Xd – синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси. Xs – индуктивное сопротивление рассеяния. Xad – индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси.

Далее: DN=Escosψ=IXscosψ

ВС=MN=Eaq=IqXaq=IcosψXaq

DM=DN+MN=IXscosψ+IcosψXaq=Icosψ(Xs+Xad)=IqXq=Eq,

Xq=Xs+Xaq, Xq – синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси. Xaq – индуктивное сопротивление реакции якоря по поперечной оси, где IXaq=Eaq/cosψ

Индуктивные сопротивления Xd, Xq, Xs, Xad, Xaq обычно приводятся в относительных единицах. Построим преобразованную диаграмму, рис. 262.

Рис. 262

Векторные диаграммы ЭДС неявнополюсных синхронных машин, рис. 263, рис. 264.

Рис. 263 Рис. 264

На рис. 263 представлена диаграмма ЭДС выраженная через вектора отдельных ЭДС, а на рис. 264 диаграмма ЭДС выражена через падения напряжения. На этих диаграммах ток якоря I не разлагается по осям.

5-4. Определение параметров синхронной машины по снятым характеристикам

5-4-1. Определение ненасыщенного индуктивного сопротивления Xd

Для определения ненасыщенного Xd снимаются две характеристики:

а) Характеристика холостого хода E₀=f(iв), I_a=0, n=const

б) Характеристику короткого замыкания I_k=f(iв), U=0 (трехфазное короткое замыкание).

Рис. 265 Рис. 266

Из рис. 266 видно, что сумма ЭДС Е₀, Ead, Es равна нулю, тогда

E₀=IkXs+IkXad=Ik(Xs+Xad)=IkXd, откуда Xd=E₀/Ik₁, ненасыщенное значение

Обычно Xd берется в относительных единицах:

, где - ненасыщенное значение ЭДС.

Обозначим отношение E_o¹/Uн=С, а Iк₁/Iн=ОКЗ

Из рисунка 265 видно, что отношение токов

Iк₁/Iн = iв₀/iвк = ОКЗ

ОКЗ выражает отношение тока возбуждения соответствующего номинальному напряжению при холостом ходе, к току возбуждения соответствующего номинальному току статора при трехфазном, коротком замыкании. Значение ОКЗ влияет на габариты машины и на ток короткого замыкания. Если машина не насыщена, то Е₀¹/Uн = 1, тогда ОКЗ = 1/Xd^*

Рис. 267 Рис. 268

Если машина имеет малый зазор (рис 267), то магнитная проводимость потоку якоря Фad будет большая, а следовательно Xd будет большим. При изменении нагрузки будет сильное колебание напряжения, и машина будет работать неустойчиво, но зато она экономична, т.к. диаметр статора мал и расход стали, и меди будет наименьшим. Если машина имеет большой воздушный зазор δ, рис. 268, то магнитная проводимость потоку якоря Фad будет мала и Xd будет малым. При изменении нагрузки напряжение будет мало колебаться и машина будет устойчиво работать с сетью. Но т.к. диаметр якоря большой , то машина получится не экономичной, т.е. большой расход стали и меди статора (якоря). Кроме того ОКЗ характеризует значение установившегося тока короткого замыкания: Iк.ном = ОКЗ*Iном, который возникает при номинальном токе возбуждения генератора (соответствующем номинальному напряжению). В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности

Xd^*= 0.6-1.6, Xq^*= 0.4-1

При указанных выше значениях Xd^*,Xq^*, для явнополюсных машин ОКЗ = 0.8-1.8. Следовательно установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик, т.к. при этом режиме создается продольно размагничивающая реакция якоря и Фрез.к < Фв.

Для практических целей целесообразно иметь машину с большим ОКЗ, однако это требует выполнение ее с большим воздушным зазором, что существенно удорожает машину.

5-4-2. Определение параметра Xd насыщенного

Для определения насыщенного Xd используют две характеристики:

1. Характеристика холостого хода: E₀=f (iв), I=0.

2. Нагрузочную индукционную характеристику:U=f (iв), Iн = const, cosφ = 0.

Рис. 269

При снятии нагрузочной индукционной характеристики ток отстает от Е₀на 90⁰. При нагрузкеI=Iн,cosφ=0 напряжение будет падать за счет индуктивного сопротивленияXs→IнXsиXad→IнXad, обусловленного реакцией якоря, т.е (Xs+Xad)Iн =IнXd, что показано на рис. 269. На рис. 98 показаны характеристики и путь определенияXd, т.е.

Из рис. 270 видно, что с насыщением машины, Xd уменьшается.

Рис. 270

5-4-3. Определение параметра Xq

Если машина неявнополюсная, то практически принимают, что Xq=Xd, если же машина явнополюсная, то магнитная проводимость по поперечной оси q-q будет меньше, чем по продольной, поэтому Xq<Xd, для практических целей принимают, что Xq = 0.6Xd.

5-4-4. Определение параметров Xq и Xd методом скольжения

На машину подается пониженное напряжение U=(0.1-0.2)Uн. Ротор вращают асинхронно и возбуждают машину.

Если магнитный поток якоря совпадает с осью полюсов, то магнитная проводимость большая и сопротивление большое, а ток мал, поэтому

Если магнитный поток якоря будет расположен по осиq-q, то магнитная проводимость ему будет мала, а следовательно индуктивное сопротивление будет малым, а ток большим, поэтому

т.к. скольжение обычно наибольшее, то колебание тока можно определить по прибору, но лучше брать его на осциллографе.

5-4-5. Определение параметра Xs

Для определения этого параметра необходимо иметь следующие характеристики:

1. Характеристику холостого хода E₀=f(iв), I=0.

2. Нагрузочную индукционную характеристику U=f(iв), Iн = const, cosφ = 0.

3. Характеристику трехфазного, короткого замыкания Iн=f(iв), U=0.

Эти характеристики представлены на рис. 271.

Рис. 271

iвk = iвs + iвa.

Если бы было известно Xs то можно построить треугольник АВС, где катет СА=iвa – это ток возбуждения, который идет на компенсацию реакции якоря. При коротком замыкании сопротивлением r₁ можно пренебречь, ток отстает от Е₀ на 90⁰, т.е. реакция якоря при Iн будет продольно размагничивающей. Катет ВС = IнXs. У индукционной нагрузочной характеристики, ток Iн и cosφ=0, поэтому и здесь реакция якоря продольно размагничивающая. Поэтому катеты С₁А₁=СА и В₁С₁ = ВС. На этом основании и определяется параметр Xs в следующем порядке:

По номинальному ток Iн по характеристике короткого замыкания определяем ток iвк= =ОА. Затем для номинального напряжения на нагрузочной индукционной характеристике находим точку А₁. Влево от нее откладываем отрезок О₁А₁ = ОА. Через точку О₁ проводим линию, параллельную начальной части характеристики холостого хода, до пересечения c характеристикой Х.Х. Получим точку В₁. Соединив точку В₁ с А₁ и опустив перпендикуляр на линию О₁А₁ получим тот же треугольник А₁В₁С₁, где катет В₁С₁ = IнXs, отсюда Xs=B₁C₁/Iн. Если машина неявнополюсная, то Xs = Xp. Для явнополюсной машины Xp>Xs на 10-20%, где Хр – реактивность Потье.

5-4-6. Диаграммы намагничивающих сил

В диаграммах намагничивающих сил учитывают насыщение машины. В отличии от диаграмм ЭДС в диаграммах н.с. складываются н.с. и по суммарной намагничивающей силе определяется ЭДС Е₀. Диаграммы построим для неявнополюсных машин. На рис. 23 если прибавить к напряжению U векторы Ir₁ и IXs получим вектор результирующей ЭДС Еδ. По рис. 272 определим с учетом насыщения величину н.с. Fδ. На векторной диаграмме Fδ опережает Еδ на 90⁰.Намагничивающая сила реакции якоря

используя этот вектор получим величину н.с. F₀ и по рис. 273 определим величину ЭДС Е₀, которая на векторной диаграмме отстает от F₀ на 90⁰. Таким образом, получим величину и направление вектора ЭДС Е₀.

Рис. 272 Рис. 273

Практическая диаграмма намагничивающих сил синхронной машины.

Эта диаграмма строится по принципу предыдущей диаграммы, рис. 274.

Рис. 274

Диаграмма не требует дополнительных пояснений. Если изменять величину и фазу тока якоря, то по диаграмме можно определить F₀, U, и угол θ синхронной машины.

5-5. Параллельная работа синхронных генераторов.

Обычно на электростанциях устанавливается несколько синхронный генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции, повышает надежность электроснабжения потребителей и позволяет лучше организовывать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяются для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределении энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции подключенной к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, т.е. напряжение сети Uc и её частота fс являются постоянными.

При параллельной работе всегда выдвигаются ряд условий. К таким условиям относят:

1. Одинаковая форма кривых ЭДС генераторов. При изготовлении синхронный генераторов на заводах форма кривой ЭДС практически близка к синусоиде.

2. Равенство напряжений и их противоположность (по контуру двух машин). При равенстве и противоположности напряжений генераторов нет уравнительных токов в цепи генераторов.

3. Равенство частоты ЭДС генераторов.

4. Порядок чередования фаз должен быть одинаковым.

Этих условий достаточно для нормальной параллельной работе генераторов. Рассмотрим нарушение этих условий.

5-5-1. Параллельная работа генераторов при неравенстве напряжений.

При равенстве напряжений в цепи генераторов нет уравнительного тока. Теперь допустим, что напряжение сети Uс больше ЭДС подключаемого генератора, т.е. Uc>Uг. За счет их разности появляется ∆U. Под действием ∆U по обмоткам генератора потечет уравнительный ток – Iур. По отношению к генератору (Uг) уравнительный ток является ёмкостным, который создает намагничивающую реакцию якоря. Поэтому у подключаемого генератора возрастает поток и увеличивается напряжение генератора, рис. 275.

Уравнительный ток по отношению к генератору (Uс), является чисто индуктивным, поэтому он создает размагничивающую реакцию якоря. Это приведет к снижению напряжения генератора в сети (Uc), т.е. роль уравнительного тока сводится к выравниванию напряжений генераторов. При подключении генератора на параллельную работу уравнительный ток является реактивным и механического удара не создается, но дополнительно нагревает обмотки якоря.

5-5-2. Параллельная работа генераторов при неравенстве частот

Частота определяет собой скорость вращения вектора напряжения или тока в электрической цепи. Если частоты одинаковы, то векторы напряжений друг относительно друга неподвижны:

f1=f2, ω1=2пf1, ω2=2пf2, ω1=ω2, рис. 276.

Е

Рис. 276

Рис. 277

сли, к примеру, частота ЭДС второй машины будет больше частоты первой машины (f2 >f1), то вектор напряженияU2 начнет перемещаться относительно вектора напряженияU1 со скоростью, определяемой разностью скоростей векторовU1 иU2. Допустим, что в первый момент напряженияU1 иU2 сдвинуты на 180⁰приf2>f1 угловые скорости векторов ω2>ω1 и через известный промежуток времени займет другое положение (рис. 101), отсюда появится разность напряжений ΔU, которая создаст в обмотках ток биенияIδотстающего от ΔUна 90⁰. Активная составляющая этого токаIδа2 по отношению ко второй машине будет создавать тормозной момент (ток совпадает с ЭДС второго генератора). Активная составляющаяIδа1 по отношению к первой машине будет создавать двигательный момент (ток направлен встречно с ЭДС первого генератора). Ток биения все время будет меняться по величине и по фазе. Второй генератор будет тормозиться, а первый подталкиваться. И после ряда колебаний установится какая-то средняя частота обоих генераторов и наступит установившийся режим. Но здесь будут механические толчки на генератор и на вал турбины. Поэтому, при включении генератора на параллельную работу разница частот должна быть минимальной.

Порядок чередования фаз должен быть одинаковым. Чередование фаз проверяется прибором – фазоуказателем. При различном чередовании фаз произойдет аварийная ситуация. Метод включения синхронного генератора параллельно сети называется синхронизацией, а прибор, с помощью которого синхронизируют, называется – синхроноскопом.

5-5-3. Синхроноскопы. Методы синхронизации синхронных машин.

Для синхронизации синхронных машин используются специальные устройства – синхроноскопы. Они бывают ламповые и стрелочные. Рассмотрим идею синхронизации на ламповом синхроноскопе. Здесь используется два способа включения:

1.Включение на погасание ламп.

2.Включение на бегущий свет.

5-5-4. Включение генератора параллельно сети на погасание ламп

Схема включения синхроноскопа представлена на рис. 278

При малой скорости турбины частота ЭДС СГ будет малой. (Сплошная звезда соответствует частоте сети, а пунктирная частоте синхронного генератора). Частота определяет скорость вращения векторов напряжения. Поэтому, при малой скорости турбины частота СГ мала и относительная скорость векторов будет большой. При этом лампы синхроноскопа будут часто вспыхивать и погасать. По мере разгона турбины частота СГ будет возрастать, и относительная скорость векторов будет уменьшаться. Мигание ламп будет замедленное. Если турбина разгонит СГ до частоты близкой к частоте сети, то относительная скорость векторов будет небольшой и лампы будут очень медленно то загораться, то потухать. В момент потухания ламп необходимо быстро включит генератор на сеть. В этот момент сплошная и пунктирная звезды совпадут по фазе. Но этот способ не дает наглядно в какую сторону необходимо регулировать скорость вращения генератора. Для этого используется второй способ.

5-6-2. Включение генератора параллельно сети на бегущий свет

Схема включения синхроноскопа представлена на рис. 279

Рис. 279 Рис. 280

При таком включении ламп синхроноскопа лампы находятся под разным потенциалом, рис 280. Если турбина имеет малое число оборотов, то частота ЭДС СГ мала и относительная скорость сплошной и пунктирной звезд будет большой. Вращение загорания ламп будет быстрое. По мере увеличения скорости вращения частота будет расти СГ, а относительная скорость звезд будет уменьшаться, и вращение бегущего света будет замедляться. При скорости вращения близкой к синхронной относительная скорость звезд будет малой и бегущий огонь будет медленно переходить с одной лампы на другую (например, по часовой стрелке) и когда лампа А фазы А потухнет, в этот момент быстро необходимо включить рубильник. Р.

Если, не включая рубильник, и дальше разгонять ротор СГ, то пунктирная звезда будет вращаться быстрее сплошной и бегущий свет изменит свое направление (против часовой стрелки).

На промышленных установках обычно используются стрелочные синхроноскопы. Эта синхронизация называется точной. На электростанциях часто используют грубую синхронизацию, так называемую самосинхронизацию. Идея сводится к следующему: турбина разгоняет ротор СГ до скорости близкой к синхронной, после чего включают обмотку статора в сеть (получается как бы асинхронный режим), затем с небольшой выдержкой времени подают напряжение на обмотку возбуждения, которая создает магнитный поток. Так как при этом относительная скорость поля статора и поля обмотки возбуждения мала, то после ряда проскальзываний противоположные полюса статора и индуктора притянутся, и машина втянется в синхронизм. После чего синхронный генератор можно нагружать.

5-6. Электромагнитная мощность и момент синхронных машин

Электромагнитная мощность – это мощность, которая передается с индуктора на статорную обмотку. Так как потери в обмотке статора, как правило, невелики, то и невелики потери в стали статора. Поэтому практически считают, что электромагнитная мощность равна полезной отдаваемой мощности:

Рэм ~ Рr1=mUIcosφ,r= 0 (1)

Для вывода формулы электромагнитной мощности воспользуемся преобразованной диаграммой для явнополюсной машины, рис. 281

Рис. 281

Выразим угол φ через ψ и θ.

Из диаграммы видно, что

cosφ=cos(ψ-θ)=cosψcosθ+sinψsinθ

Подставим cosφв уравнение (1) электромагнитной мощности

Pэм =mUIcosψcosθ+mUIsinψsinθ(2)

Найдем из векторной диаграммы величины Icosψ,Isinψ

OB=E₀–IdXd=E₀–IsinψXd, с другой стороны:

OB=Ucosθ,Ucosθ=E₀–IsinψXd, откуда

, далее

BC=IqXq=IcosψXq=Usinθ, откуда

Подставим произведение IsinψиIcosψв уравнение (2)

, сгруппируем

.

Воспользуемся формулой sin2θ=2cosθsinθ, откуда

cosθsinθ=1/2sin2θ, тогда окончательно получим выражение электромагнитной мощности синхронного генератора (явнополюсн.)

Pэм =mUE₀sinθ/Xd+(1/Xq– 1/Xd)sin2θ,

т.е. электромагнитная мощность состоит из основной и добавочной. Если машина неявнополюсная, где Xd=Xq, выражение электромагнитной мощности запишется:

Pэм =mUE₀sinθ/Xd

Получим выражение электромагнитного момента для явнополюсной машины. Так как Pэм =Mω, откудаM=Pэм/ω,

,

т.е. момент состоит из основной части и добавочного (реактивного) момента. Если генератор неявнополюсной, то выражение электромагнитного момента запишется:

M=mUE₀sinθ/ωXd

ЗависимостиPэм=f(θ) иM=f(θ) называются угловыми характеристиками синхронной машины.

Покажем на рис. 282 угловые характеристики для явнополюсного генератора, а на рис. 283 угловые характеристики для неявнополюсной машины.

Из рис. 282 видно, что θкр<90⁰. Устойчиво машина работает в диапазоне углаθ= 0-θкр, рис. 106, а для неявнополюсной машины устойчивая работа соответствует углуθ= (0-90)⁰.

5-7. Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью

Изменение активной и реактивной мощности синхронного генератора, работающего параллельно с сетью большой мощности, осуществляется путем изменения внешнего момента и тока возбуждения. Чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируют и ток возбуждения, и вращающий момент. Рассмотрим два предельных случая регулирования.

5-7-1. Режим синхронного генератора при постоянном токе возбуждения и переменном моменте .(iB=const, M=var).

Если нагрузка генератора увеличивается, то с увеличением нагрузки увеличивается момент и мощность. При всех постоянных величинах (U,E₀,Xd,Xq) момент и мощность будут изменяться за счет изменения углаθ. Уголθ– это угол между осью индуктора и осью результирующего потока Фδ. При холостом ходе генератора существует поток Ф₀– созданный обмоткой возбуждения. При нагрузке в обмотке якоря создается поток якоря Фа. Этот поток накладывается на поток Ф₀и создает результирующий поток Фб. Пространственный угол θ и момент можно представить на рис. 33.

Рис. 283.

Как видим из рис. 283 электромагнитный момент генератора является тормозным, т.е. он стремится притянуть разноименные полюса, а момент со стороны турбины Мт вращает ротор. Чем больше ток статора, тем больше и поток Фа и результирующий поток дальше сдвигается от оси индуктора, т.е. увеличивается угол θ. Поговорим о статической устойчивости синхронного генератора применительно к неявнополюсной машине. Синхронная машина (генератор) устойчиво с сетью работает в диапазоне угла θ = 0-90⁰, а дальше машина выпадает из синхронизма, рис. 34. В т. А устойчивый режим работы.

Рис. 284.

Если отдаваемая мощность, а следовательно и электромагнитый момент возрастут (согласно рис. 283), то угол θ уменьшится и машина вернется в т. А. Если же отдаваемая мощность и момент уменьшатся, то согласно с рис. 283 угол θ возрастет т.к. Мт>М и машина вернется в исходную точку. Отсюда видно, что угол θ может меняться от 0 до 90⁰при устойчивой работе с сетью.

Если же угол θ будет больше 90⁰, то магнитная связь между полюсами нарушается и машина выпадает из синхронизма. Это тяжелый и аварийный режим. При этом мощность в сеть не отдается, а момент турбины имеется, то под действием этого момента ротор может разогнаться до недопустимой скорости вращения. Кроме того, магнитный поток возбуждения будет наводить в обмотке статора ЭДС, Которая будет то складываться, то вычитаться с приложенным напряжением. Это приведет к большим колебаниям тока. Обычно если генератор выпал из синхронизма, то его отключают от сети. Для устойчивой работы генератора с сетью номинальный угол составляет θн=15-20⁰. Как уже было сказано, что если угол θ>90⁰, то машина работает неустойчиво с сетью. Допустим, работаем в т. В. Если отдаваемая мощность будет меньше мощности турбины, то (рис 284) уголθбудет увеличиваться, а с увеличением углаθотдаваемая мощность будет падать, т.е. при этом машина никогда не вернется в т. В., поэтому угловая характеристика отθ= 90⁰-180⁰неустойчива. Перегрузочная способность генератора:

Синхронизирующая мощность.

Чтобы генератор мог работать не выпадая из синхронизма с сетью, он должен обладать достаточной синхронизирующей мощностью, т.е. способностью продолжать работать синхронно с сетью даже при значительных изменениях момента и, следовательно, угла θ.

Большое значение для работы синхронных машин имеет вопрос устойчивости их работы. Работа синхронной машины будет устойчивой, если положительному приращению θсоответствует положительное приращение электромагнитной мощности Рэм, и наоборот уменьшению угла θ будет соответствовать уменьшение электромагнитной мощности Рэм. В этом случае ΔРэм/Δθ можно рассматривать и при бесконечно малых изменениях, а тем самым перейти к первой производнойdРэм/dθ, тогда

Рс=dРэм/dθ=mUE₀cosθ/Xc, где Рс – удельная синхронизирующая мощность. Синхронизирующая мощность равна удельной синхронизирующей мощности, умноженной на все смещение Δθ.

Рсх = РсΔQ

Из выражений Рсх и Рэм следует, что когда угол θ=0, генератор развивает наибольшую синхронизирующую мощность, но его электромагнитная мощность Рэм=0. Наоборот, когда угол θ=90⁰, генератор развивает наибольшую электромагнитную мощность, а его синхронизирующая мощность Рсх=0, рис. 284.

5-7-2. Режим синхронного генератора при постоянном моменте и переменном токе возбуждения (M = const, iB = var).

Для анализа воспользуемся векторной диаграммой ЭДС для неявнополюсной машины, рис. 285.

Рис 285.

Если момент М=const, то и P=const,M=mE₀Usinθ/ωXc=const, если изменяется ток возбуждения, то изменяется и ЭДС. Для постоянства момента необходимо, чтобыE₀sinθ=const. МощностьP=mUIcosφ. Постоянство мощности получится приIcosφ=Iа=const. При анализе режима учтем эти условия. Развернем диаграмму рис. 286 так, чтобы вектор напряжения генератораUг был направлен горизонтально и уравновешен напряжением сетиUс.

Рис. 286.

Из условий видим, что вектор ЭДС Е₀должен скользить по прямой θRпараллельно вектору напряжения, т.к.ab=E₀sinθ=const. При изменении возбуждения конец вектора тока статора (якоря) будет скользить по прямойMN, т.к.Ia=Icosφ=const. При перевозбуждении ЭДС будет соответствовать величине Е₀и токуI. Если разложить токI, то его реактивная составляющая будет опережать вектор напряжения сетиUс на 90⁰, т.е. этот ток будет емкостным. С энергетической стороны, этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. При уменьшении тока возбуждения ЭДС Е₀уменьшится до величины Е₀¹и ток в статоре будет иметь наименьшую величинуI¹=Iaиcosφ=1. При этом генератор не отдает и не потребляет реактивной мощности.

При перевозбужденном режиме ток Iотстает от вектора напряжения генератораUг на угол φ. Если и дальше уменьшать ток возбуждения ЭДС уменьшится до величины Е₀¹¹, а токI¹¹будет опережать напряжение генератора на угол φ¹. Реактивная составляющая тока статора по отношению к вектору напряжения сетиUс будет отставать на 90⁰, т.е. он будет чисто индуктивным и генератор будет потреблять из сети реактивную мощность. Этот режим называется – режим недовозбуждения. Таким образом, регулируя ток возбуждения генератора можно менять величину и фазу тока статора, т.е. изменятьcosφ. Зависимости тока статораIот тока возбужденияiBназываютсяU-образными характеристиками. На рис. 287 представлены графическиU-образные характеристики при различной постоянной мощности.

Рис. 287.

Характеристики до пунктирной линии соответствуют недовозбужденному режиму, а после этой линии соответствуют перевозбужденному режиму, при котором генератор отдает реактивную мощность в сеть.