&_ИДО_СТУДЕНТАМ_(Эл. энерг. СиС)_2013г.) / Готман_Укороченны (гл.1-10) - 08

Из структуры выражения (4.38) видно, что вторая гармоника тока короткого замыкания обусловлена несимметрией ротора ( xq xd ).

Из четырех составляющих тока статора три являются свободными и с течением времени затухают до нуля, так что в установившемся режиме короткого замыкания остается только периодический ток основ-

Ток обмотки возбуждения в переходном режиме при отсутствии АРВ и демпферных обмоток определяется зависимостью:

ляющих, одна из которых является периодической.

Рассмотрим причинно – следственную связь составляющих тока цепи статора, описываемых уравнением (4.39), и токов обмотки возбуждения в соответствии с выражением (4.41). В силу того, что цепи обмотки возбуждения и статора замкнуты, ток в одной из них индуцирует ток в другой. Однако вследствие их относительного вращения характер индуцированных токов разный: постоянный ток в обмотке возбуждения наводит переменный ток основной частоты в обмотке статора, а постоянный ток в статорной цепи – переменный ток в обмотке возбуждения. Согласно закона Ленца в момент нарушения режима результирующее потокосцепление обмотки возбуждения и статорной должны оставаться неизменными; неизменным должно оставаться и мгновенное значение тока каждой из обмоток в момент короткого замыкания при t 0.

В нормальном режиме (до КЗ) ток обмотки возбуждения i f 0 , со-

здавая магнитный поток, наводил в статорной цепи периодический ток основной частоты неизменной амплитуды:

который в момент КЗ в силу уменьшения результирующего сопротивления скачкообразно возрос до величины

61

цепи создает вращающееся поле, неподвижное относительно ротора. По этой причине указанное приращение I m(0) индуцирует в обмотке воз-

буждения свободную непериодическую составляющую с начальным значением i f (0) [см. второй член выражения (4.41)].Она затухает с пе-

пи обмотки возбуждения с учетом реакции статора [см. (4.35)]. Именно

дет существовать до тех пор, пока существует вызвавший его апериоди-

ческий ток роторной цепи. По этой причине I (t) – второе слагаемое m

выражения (4.39) – затухает с той же постоянной времени T . d

Появление апериодической составляющей тока статора ( I a ) явля-

ется следствием принципа неизменности потокосцепления статорной обмотки в момент нарушения режима. Она затухает с постоянной времени Ta , определяемой параметрами статорной цепи (4.37). Апериоди-

ческие токи трех фаз статора создают неподвижный в пространстве магнитный поток. В результате пересечения этого потока ротором в обмотке возбуждения наводиться синусоидальный ток синхронной частоты [последний член выражения (4.41)], который затухает с той же постоянной времени Ta . Периодический ток обмотки возбуждения в свою

очередь является причиной возникновения свободного тока двойной частоты в цепи статора.

В самом деле, периодический ток ротора создает магнитный поток, который пульсирует с синхронной частотой. Чтобы проще представить его влияние на статор разложим этот поток на два потока. Каждый из них равен половине общего потока и вращаются они в противоположных направлениях. Один из них, вращаясь в сторону противоположную вращению ротора, неподвижен относительно обмоток статора и частично компенсирует поток от апериодических токов статора. Другой поток, вращаясь в ту же сторону, что и ротор, перемещается относительно обмоток статора с двойной синхронной скоростью и вызывает в нем вторую гармонику тока.

Поскольку T во много раз (порядка 10 15 раз) меньше T , то

a d

62

чительно быстрее, чем затухание апериодического тока обмотки возбуждения и связанного с ним свободной переходной слагаемой цепи

статора, характеризуемых постоянной времени T . d

4.8. ГАШЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА

При внутренних повреждениях электрической машины единственным средством прекращения тока в этой машине является еѐ развозбуждение, иначе говоря, гашение магнитного поля системы возбуждения. Обмотка возбуждения обладает большим запасом электромагнитной энергии и ее быстрое поглощение представляет определенные трудности. Разрыв цепи возбуждения опасен большим перенапряжением, которое может привести к пробою изоляции. Поэтому гашение магнитного поля осуществляется переключением обмотки возбуждения на активное сопротивление, называемое разрядным. Аппарат, осуществляющий эту функцию, называют автоматом гашения поля (АГП); его принципиальная схема приведена на рис. 4.13, а.

Контакт 2 в нормальном режиме замкнут, контакт 1 – разомкнут. Для гашения поля обмотки возбуждения осуществляется замыкание

Рис. 4.13. Гашение поля синхронного генератора: а – принципиальная схема АГП, б – затухание тока и напряжения обмотки возбуждения

63

затем размыкается контакт 2.

Без учета демпферных обмоток и при разомкнутом статоре ток в обмотке возбуждения будет затухать в соответствии с выражением:

–постоянная времени контура гашения тока возбуждения.

Напряжение на обмотке возбуждения U f пропорционально току i f . Действие контактов 1 и 2 можно считать одновременным. Тогда

максимальное напряжение на обмотке возбуждения достигается в момент t 0:

рают в пределах от 3 до 5R f . Если вместо разрядного сопротивления

использовать нелинейный резистор, сопротивление которого обратно пропорционально току i f , процесс затухания последнего можно обес-

печить по линейному закону, что ускорит гашение. В качестве такого сопротивления в современных АГП используют электрическую дугу, образующуюся в дугогасящей решетке автомата; см. работу [1, с. 182].

4.9. ВЛИЯНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА ПРИ КЗ

В аварийных режимах энергосистем первоочередной задачей является сохранение устойчивости параллельно работающих машин и станций. Одной из наиболее эффективных мер сохранения динамической устойчивости является максимально быстрое восстановление напряжения генераторов, которое значительно снижается при коротких замыканиях. Это достигается кратковременным увеличением тока возбуждения с максимально возможной скоростью и называется форсировкой возбуждения. Естественно, что увеличение тока возбуждения в пе-

64

«пропорционального действия», регулирующие ток возбужде-

ния пропорционально отклонению какого-либо режимного параметра, например, напряжения на выводах генератора;

«сильного действия», реагирующие не только на величину от-

Для автоматического регулирования напряжения применяют цифровые и цифроаналоговые системы. Такие системы позволяют повысить быстродействие регулятора, а также осуществить комплексное управление агрегатом в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах. На базе цифровых систем изготавливаются регуляторы сильного действия, которые практически обеспечивают постоянное напряжение на зажимах генератора в нормальном режиме работы электрической системы.

Одним из простых и эффективных способов обеспечения надежной работы синхронной машины в аварийных условиях, как уже отмечалось, является форсировка возбуждения. Чтобы представить физическую сущность форсировки, рассмотрим схему электромашинного возбудителя с самовозбуждением (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Форсировка возбуждения синхронной машины:

а – принципиальная схема; б – зависимость U f t

При снижении напряжения генератора за установленный уровень0.85 0.9 U ном сигнал с выхода измерительного элемента (ИЭ) замыкает цепь контактора (К), который шунтирует реостат ( R p ) цепи

возбуждения возбудителя. В результате этого происходит подъем напряжения на возбудителе до предельной величины (потолка). Зако-

66

номерность нарастания напряжения возбудителя представляет экспоненциальную зависимость и, считая при этом практически равенство на-

пряжений возбудителя и обмотки возбуждения (U В U f ), имеем:

дителя находиться в пределах 0.3 0.6 с;

существенно увеличивает переходную постоянную времени.

В современных автоматических регуляторах напряжения широко применяются тиристорные системы возбуждения, использующие управляемые тиристорные выпрямители. Такие системы обеспечивают четырѐхкратный (и более) потолок возбуждения, что весьма важно при форсировке. Системы возбуждения на тиристорх имеют весьма низкую постоянную времени (Te 0.02 с ), что позволяет их считать практиче-

ски безинерционными и принимать Te 0 . С учѐтом этого при форси-

ровке возбуждения напряжение на обмотке возбуждения скачкообразно возрастает от начального значения U f 0 до предельного U f пр . Функция

F t при этом существенно упрощается и представляет возрастающую

67

Эффективность форсировки возбуждения определяется двумя факторами:

кратностью форсировки возбуждения, определяемой отноше-

щую периодическую составляющую в цепи статора, которая будет из-

Как следует из сказанного выше, в начальный момент КЗ в силу инерционности магнитных потоков в системе возбуждения влияние АРВ (или форсировки возбуждения) на периодический ток статора отсутствует. Апериодическая слагаемая и связанная с ней вторая гармоника тока статора остаются теми же, что и при отсутствии АРВ.

Для нахождения закона изменения результирующего периодического тока короткого замыкания с учетом АРВ достаточно к выражению тока без АРВ (см. раздел 4.7) прибавить приращение тока, обусловленного АРВ. В практических расчетах с целью упрощения считают маши-

том этого действующее значение периодических токов в переходном режиме будет определяться выражением:

обусловленного АРВ; определяется выражением (4.45) или (4.46). Поставленное в формуле (4.47) ограничение соответствует пре-

кращению действия АРВ при достижении напряжения генератора номинальной или иной установленной величины.

На рис. 4.16 в соответствии с выражением (4.47) графически изображены составляющие периодического тока короткого замыкания с учетом действия АРВ. В переходном режиме, с одной стороны, проис-

Рис. 4.16. Изменение периодических токов с учетом АРВ при коротком замыкании во внешней цепи: составляющие периодического тока КЗ;

результирующая огибающая

69

ходит естественное затухание свободного переходного тока из-за наличия активных сопротивлений, с другой стороны, возрастание составляющей, обусловленной АРВ. Результирующая огибающая тока имеет сложную зависимость, которая определяется удаленностью КЗ.

При малой удаленности КЗ ( xкз xвн ) огибающая тока генерато-

ра с АРВ имеет вид затухающей кривой (см. рис. 4.17, а). По мере увеличения дальности короткого замыкания характер огибающей тока меняется (см. рис. 4.17, б). После снижения до некоторого минимума ток статора под воздействием АРВ вновь возрастает, стремясь к установив-

нице (см. рис. 4.17, в). При этих условиях амплитуда периодического тока в переходном режиме остается практически неизменной, что эквивалентно U Г const , т.е. питанию схемы источником бесконечной

мощности.

Наличие демпферных обмоток не меняет характера рассмотренных зависимостей. Однако следует отметить, что благодаря демпфер-

70