20.10. Нормальные режимы работы синхронных генераторов и компенсаторов

Нагрузка синхронных генераторов изменяется в соответствии с графиками нагрузки электростанций. При этом ре­активную мощность генератора изме­няют путем изменения тока возбужде­ния, а активную мощность — изменением количества энергоносителя (пара или воды), пропускаемого через турбину. Скорость увеличения нагрузки турбо­генератора ограничена. Она определя­ется временем, необходимым для посте­пенного нагрева турбины. Обычно это время составляет несколько часов. Гид­равлическая турбина не ограничивает скорость подъема нагрузки, поэтому набор нагрузки гидрогенератора произ­водится в течение нескольких минут.

Номинальный режим работы генера­тора характеризуется номинальными параметрами: активной нагрузкой Р_ном напряжением U_ном коэффициентом мощ­ности cos φ_ном, частотой f_ном и темпера­турой охлаждающего газа на входе θ₀. Работа с номинальными параметрами может продолжаться как угодно дли­тельно. При этом температура обмоток статора и ротора и стали статора не выходит за допустимые пределы (см. § 20.5).

Известно [20.4], что активная и реактивная мощности машины, отн. ед.,

соответственно равны:

Для неявнополюсных машин

Для упрощения анализа режимов работы генераторов здесь рассмотрена неявнополюсная машина. Кроме того, напряжение U предполагается неизмен­ным по амплитуде. Из векторной диа­граммы на рис. 20.20, а следует, что активная.мощность Р пропорциональна площади треугольника A₁OC:

При неизменном напряжении U ак­тивная мощность пропорциональна так­же и высоте А₁В₁ треугольника А₁ОС:

а реактивная мощность пропорциональ­на отрезкутак как

Работа генератора при разных актив­ных нагрузках и постоянных значениях тока возбуждения и напряжения

Регулирование активной мощности, развиваемой генератором, производят путем изменения количества пара или воды, пропускаемой через турбину. При этом увеличивается вращающий момент турбины и появляется избыточный мо­мент, под действием которого ротор ускоряется и соответственно увеличива-

ется угол Это происходит до техпор, пока мощность, развиваемая тур­биной, не уравновесится электромагнит­ной мощностью генератора. При умень­шении пропуска энергоносителя через турбину угол уменьшается.

Так как здесь предполагается, что изменение активной нагрузки машины происходит при неизменном токе воз­буждения, а следовательно, и при посто­янстве ЭДС E_q то векторная диаграм­ма на рис. 20.20, а изменяется таким образом, что конец вектора E_q описы­вает окружность. При увеличении на­грузки угол возрастает от до При этом А₂В₂ > А₁В₁, поэтому Р₂ > Р₁. На рис. 20.20, б приведены угловые ха­рактеристики машины, т. е. зависимо­сти активной мощности Р, реактивной мощности Q, тока статора I, коэффи­циента мощности от угла­Кривые показывают, что если угол воз-

растает, оставаясь меньше его наиболь­шего значения то активная мощ­ность и ток статора возрастают, а реактивная мощность уменьшается. Ко­эффициент мощности сначала воз­растает, а потом уменьшается.

Если генератор работает с углами близкими к то при незначи-

тельном уменьшении напряжения и электромагнитного момента появится избыточный момент, под действием ко­торого ротор начнет ускоряться, а угол

увеличиваться. При углах имеет место дальнейшее уменьшение тормозящего момента генератора

и соответственно увеличение

угла . Это приводит к выпадению ма­шины из синхронизма. Устойчивая ра­бота генератора возможна только в том случае, когда увеличение ' угла сопро-

вождается увеличением тормозящего момента генератора, т. е. при

что имеет место при работе генератора на восходящей части характеристики для которой Наи-

больший угол соответствует макси­мальной мощности Р_тах, называемой пределом статической устойчивости. Для турбогенераторов= 90°, а для гид­рогенераторов, как это видно из рис. 20.20, в, он несколько меньше 90° за счет реактивного электромагнитного момента, обусловленного неравенством Х_d и X_q. Каждому возбуждению ма­шины соответствует вполне определен­ный предел статической устойчивости Р_тах. Для турбогенераторов он равен

а для гидрогенераторов за счет реактив­ного момента он несколько больше чем что видно из рис. 20.20, в. Для устойчивой работы генератора необхо­димо, чтобы продолжительная мощ­ность Р была меньше Р_тах; при этом Чем больше ток возбуждения, тем больше Р_тах и соответственно тем больше возможная по условию устой­чивой работы генератора наибольшая продолжительная нагрузка. При работе генератора с номинальным током воз­буждения его наибольшая продолжи­тельная активная мощность равна но­минальной.

Как видно из выражения (20.15), при реактивная мощность тур­богенератора равна нулю. С небольши­ми погрешностями это условие справед­ливо и для гидрогенератора. Чем мень­ше ток возбуждения, тем меньше E_q и, следовательно, тем меньше уголприкотором Q = 0.

Пригенератор работа-

ет с малыми углами и выдает реак­тивную мощность в сеть, что соответ­ствует нормальному режиму работы; при этом В таком режиме

генератор работает устойчиво. Наиболь­шая выдаваемая реактивная мощность при работе генератора с током возбуж-

дения I_f имеет место, если генератор не несет активной нагрузки, т. е. при = 0. Как для турбогенераторов, так и для гидрогенераторов она равна:

При cos δ < U/E_q генератор потреб-

ляет реактивную мощность и работает менее устойчиво, так как углы вели­ки. Предельная мощность, потребляе­мая генератором, соответствует = 90° и для генераторов обоих типов состав­ляет

Если работа генератора в режиме потребления реактивной мощности до­пустима (см. ниже), то при этом необ­ходим быстродействующий автоматиче­ский регулятор возбуждения, а потреб­ляемая реактивная мощность не должна превышать Q_max.

Из вышеизложенного следует, что для обеспечения устойчивой работы ге­нератора, когда он должен выдавать в сеть не только активную, но и реак­тивную мощность, одновременно с уве­личением активной мощности необходи­мо увеличивать и ток возбуждения ге­нератора.

Работа генератора при разных токах возбуждения и постоянных значениях активной нагрузки и напряжения

Уменьшение тока возбуждения, как видно из выражений (20.12) и (20.14), сопровождается уменьшением тормозя­щего момента генератора. Однако угол δ мгновенно не может изменяться. Поэтому на векторной диаграмме рис. 20.21, а треугольник A₁₀OC превра­щается в треугольник меньшей площади. Количество же пара, пропускаемого че­рез турбину, остается прежним, поэтому на валу агрегата турбина —генератор возникает избыточный вращающий мо­мент, под действием которого ротор ускоряется и угол увеличивается. При увеличении угла активная мощность

и соответственно тормозящий момент увеличиваются, а избыточный момент уменьшается до тех пор, пока не насту­пит равновесие 'между активной мощ­ностью генератора и мощностью, раз­виваемой турбиной, которая осталась неизменной. Таким образом, вектор , с уменьшением тока возбужденияуменьшается и займет положение ОА₂, при котором А₂В₂ = А₁В₁. При увели­чении тока возбуждения угол 6, наобо­рот, уменьшается. Очевидно, при любом изменении тока возбуждения конец век­тора ЭДС в установившемся режиме будет находиться на прямой, параллель­ной вектору напряжения U и проходя­щей через точку А₁.

Полученные с помощью векторной диаграммы и соответствующих выраже­ний зависимости реактивной мощности Q, тока статора I, коэффициента мощ­ности и угла от тока возбужде­ния I_f приведены на рис. 20.21,б.

Из выражений (20.13) и (20.15) видно, что реактивная мощность равна нулю и соответственно при I_f =

⁼

Чем больше активная нагрузкагенератора, тем больше уголи ток возбуждения, при которых имеет место Q= 0.

Пригенератор вы-

дает реактивную мощность в сеть (Q > О и< 1), что соответствует нормаль-

номурежиму работы генератора. Этотрежим характеризуется небольшими зна­чениями углаЧем больше ток воз­буждения, тем больше выдаваемая реак­тивная мощность и ток статора и тем меньше cos ср. Наибольший продолжи­тельный ток возбуждения не должен превышать номинальный (по, условиям допускаемого нагрева ротора).

При имеет место

режим недовозбуждения, генератор по­требляет реактивную мощность из сети. Чем меньше ток возбуждения, тем боль­шую реактивную мощность потребляет генератор из сети, тем больше ток ста­тора и угол и тем меньшеcos ср. Наименьший ток возбуждения, при ко­тором генератор может устойчиво рабо­тать с активной мощностью Р (это имеет место, если ),

Чем меньше активная нагрузка ге­нератора, тем с меньшим током воз­буждения и соответственно с большим потреблением реактивной мощности он может работать. Предельный наимень­ший ток, который имеет место при

отсутствии активной нагрузки, равен нулю. В этом случае, как следует из выражений (20.13) и (20.15), наибольшая потребляемая реактивная мощность оп­ределяется выражением (20.21).

Если работа генератора в режиме недовозбуждения допустима (см. ниже), то необходимо, чтобы ток возбуждения был больше I_{f_min}. Кроме того, как от­мечалось ранее, устойчивая работа ге­нератора в этом режиме возможна только при наличии быстродействующе­го АРВ.

Работа генератора при нагрузках, токах, коэффициентах мощности и напряжениях, отличны от номинальных

Синхронные генераторы могут рабо­тать с нагрузкой, токами ротора и статора и коэффициентом мощности, отличными от номинальных (рис. 20.22).

Работа генератора с активной на­грузкой, превышающей номинальную, возможна (область 1—2), если турбина допускает продолжительные перегрузки. В этом режиме КПД снижается, поэто­му такой режим целесообразен только в период максимума нагрузки или при аварийном отключении части генерато­ров в энергосистемах. Так как ток ста­тора, исходя из допустимого нагрева обмотки, не должен превышать номи­нальный, то полная мощность генера­тора должна быть равна номинальной (S = S_ном), а реактивная мощность сни­жена за счет уменьшения тока возбужде­ния. Это соответствует увеличению ко­эффициента мощности (cos φ > cos φ _ном) и приводит к уменьшению запаса ста­тической устойчивости, поэтому устой­чивая работа генератора возможна толь­ко при наличии быстродействующего АРВ.

Возможна также работа генератора с реактивной мощностью, превышаю­щей номинальную, при токе возбужде­ния, равном номинальному (область 1—3), за счет снижения активной на­грузки генератора. В этом режиме cos φ < cos φ _ном, а мощность статора недоиспользована: S < S_HOM. Такой ре-

жим допустим для генераторов, но неэкономичен, так как при этом снижа­ется вырабатываемая активная мощ­ность. Гидрогенераторы могут работать со сколь угодно малыми активными нагрузками; в пределе она может быть равна нулю. Турбогенераторы не могут работать с активной нагрузкой ниже наименьшей допустимой, определяемой условиями охлаждения турбины (см. § 20.11). Поэтому этот режим чаще используют для гидрогенераторов в пе­риод маловодья.

В последнее время начинает исполь­зоваться режим работы генераторов с недовозбуждением с целью потребления реактивной мощности из сети (см. § 20.11). В этом режиме возникает опас­ность перегрева бандажных колец лобо­вых частей обмотки статора и торце­вых щитов корпуса генератора (особен­но у крупных машин, имеющих боль­шие плотности токов в обмотках) из-за увеличения результирующей магнитной индукции в этой зоне за счет сложения магнитных полей рассеяния лобовых частей статора и ротора. Поэтому воз­можность такого продолжительного ре­жима должна быть доказана экспери­ментально.

На практике возможны отклонения напряжения от номинального за счет увеличения или сброса нагрузки, нару-

шения нормального режима работы энергосистемы, изменения электрической схемы и ряда других причин. По ГОСТ 533 —85Е все генераторы должны разви­вать номинальную полную мощность shom при отклонениях напряжения до + 5 % и частоты до + 2,5 % номиналь­ных значений. Допускается также про­должительная работа генераторов при отклонениях напряжения до +10 % но­минального. Учитывая, что потери мощ­ности в стали сердечника статора, опре­деляемые потерями от намагничивания, пропорциональны квадрату напряжения, при повышении напряжения свыше 105 до 110% ток статора уменьшают, чтобы сохранить температуру статора в до­пустимых пределах. При снижении на­пряжения до 95 % и ниже продолжи­тельный ток статора не должен превы­шать 105 % номинального.

Работа синхронных компенсаторов при разных токах возбуждения

Синхронный компенсатор не имеет нагрузки на валу и поэтому потребляет из сети незначительную активную мощ­ность, необходимую для покрытия электромагнитных и механических по­терь. Вследствие этого, как видно из выражения (20.12), угол 8 очень мал.

Обычно в период максимальных нагрузок в системе синхронные компен­саторы вырабатывают реактивную мощ­ность. В период минимальных нагрузок за счет емкостной проводимости линий электропередачи в системе может ока­заться избыток реактивной мощности и, как следствие, недопустимо повысит­ся напряжение. Поэтому в это время синхронные компенсаторы работают как потребители реактивной мощности. Так как у компенсаторов X_d≈1,5-7-2,2, то их наибольшая потребляемая мощность при I_f = 0, которая определяется выра­жением (20.21), составляет 50-65% но­минальной мощности. Однако потреб­ляемая реактивная мощность может быть увеличена за счет подачи отри­цательного возбуждения (I_f < 0). Пре­дельная потребляемой реактивная мощ­ность при отрицательном возбуждении

определяется условиями устойчивой оа-боты компенсатора и равна

Синхронное сопротивлениепо попе­речной оси X_q составляет 1,1 — 1,3, т.е. меньше сопротивления по продольной оси X_d, поэтому потребляемая реактив­ная мощность при отрицательном воз­буждении может быть увеличена при­мерно до 80% номинальной мощности. Наибольший отрицательный ток возбуж­дения зависит от параметров синхрон­ного компенсатора и составляет 0,55 — 0,95 тока холостого хода. В режиме с отрицательным возбуждением компен­сатор работает неустойчиво. Устойчи­вость работы компенсатора в этом режиме обеспечивают либо за счет при­менения быстродействующей системы возбуждения и быстродействующих ре­гуляторов возбуждения, реагирующих на скорость изменения угла, т. е. на dδ/dt, либо путем подачи в обмотку возбуж­дения знакопеременного возбуждения. Таким образом, особенностью возбуж­дения синхронных компенсаторов являет­ся возможность работы как с положи­тельным, так и с отрицательным воз­буждением.