Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

.pdf
Скачиваний:
63
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
2.91 Mб
Скачать

На рис. 1.29 приведена схема простейшего синхроноскопа на «бегущий огонь».

Рис. 1.28. Векторная диаграмма принципа действия синхроноскопа

Рис. 1.27. Схема включения генератора на параллельную работу. Лампочки включены на «погасание»

В данной схеме в случае неравенства угловых частот сети и генератора лампочки поочередно загораются, образуя так называемый «вращающий свет». Чем больше разница между частотами, тем быстрее перемещается свет. При совпадении частоты вращении и фаз, свет останавливается, и генератор можно включать на параллельную работу.

Если лампочки, включенные на бегущий свет, начинают одновременно загораться и гаснуть, это свидетельствует о том, что порядок чередования фаз у сети и генератора неодинаковый. В этом случае необходимо поменять местами две фазы генератора.

Правильность чередования фаз генератора с сетью проверяется один раз при монтаже генератора.

После включения генератора, он начинает работать параллельно с генераторами сети.

Несоблюдение любого из этих

40

Рис. 1.29. Схема включения генератора на параллельную работу. Лампочки включены

на «вращающийся свет»

Е& = Е&0 +U&c ,
Рис. 1.30. Векторная диаграмма генератора при отклонении вектора ЭДС от вектора напряжения

условий приводит к появлению нежелательных уравнительных токов значительной величины. Рассмотренные условия включения генератора на параллельную работу являются идеальными. На практике возникают случаи, когда прибегают к грубой синхронизации (самосинхронизации). При таком включении невозбужденный генератор доводится до синхронной n1 или близкой к ней частоте вращения в направлении возникающего впоследствии вращающегося магнитного поля якоря. Далее генератор подключается к сети и сразу за этим подается ток в обмотку возбуждения. Генератор сам втягивается в синхронизм. Обычно это осуществляется автоматически. Такое включение сопровождается появлением толчков тока, однако они не представляют опасности для сети и генератора.

Параллельная работа генератора с сетью бесконечно большой мощности. Под сетью бесконечно большой мощности будем понимать электрическую сеть, в которой все изменения, происходящие в генераторе, на нее не влияют, т.е. ее напряжение

и частота остаются постоянными.

После выполнения условий синхронизации и включения генератора в такую сеть синхронная машина не отдает энергию в сеть и не потребляет ее из сети. В этом случае имеет место режим холостого хода. Покрытие механических потерь в машине осуществляется за счет приводного двигателя. Векторная диаграмма напряжения сети и ЭДС генератора приведена на рис. 1.28.

Если по какой-то причине увеличится вращающий момент со стороны приводного двигателя, то это приведет к тому, что ротор сдвинется по направлению вращения на угол ϑ. При этом вектор

ЭДС отклонится от вертикального положения на такой же угол. Вследствие этого появляется ЭДС (рис. 1.30), действу-

ющая по контуру генератор – сеть и имеющая частоту сети. Если принять, что активные сопротивления генератора и сети малы, то под действием ЭДС в якоре генератора возникает ток I , ограниченный

41

синхронным сопротивлением якоря хс, и

отстающий от ЭДС Е& на

угол π 2

 

 

 

 

 

 

 

&

 

E&

0 +U&c

 

Е&

(

I

=

 

jxс

=

jxc

.

1.38)

а от ЭДС Е&0 − на угол ψ <90˚. Машина в этом случае работает в гене-

раторном режиме и создает тормозной момент, который направлен против вращения машины. Частота вращения генератора остается постоянной, т.е. синхронной.

Если ротор замедлит по какой-либо причине свое движение, то под действием ∆E ток I будет направлен против ЭДС Е&0 и генератор перейдет в режим двигателя, при этом его момент будет совпадать с моментом вращения, и частота вращения генератора снова станет синхронной.

Пример 4. Неявнополюсный генератор, работающий параллельно с сетью, имеет номинальную мощность Sн =7000 кВ·А, номинальное

линейное напряжение U =10000В, синхронное сопротивление

хс = 4,65 Ом.

Определить ток якоря, если векторы Е&0 =U&с сдвинуты по фазе на угол 1900 , (см. рис.1.30).

Решение:

Напряжение фазы обмотки якоря

Uф =U / 3 =11000/ 3 = 6358,4B.

Угол α, рис. 1.30 , равен

α =1900 -1800 =100 .

Напряжение E

E = 2U sin50 = 2 6358,4 0,0872 = 2217,8B.

Ток якоря по формуле (1.38)

I = Е = 2217,8 = 476,9А. xc 4,65

Ток фазы якоря

Iн = S3нU = 70000003 11000 =367.8A.

Значение тока якоря в относительных единицах

I* =

I

=

476,9

=1,3.

Iн

367.8

 

 

 

Из примера следует, что уравнительный ток I значительно превышает номинальный ток Iн генератора.

42

Включив генератор на параллельную работу, его следует нагрузить. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I& якоря неявнополюсного генератора, работающего параллельно с сетью. Уравнение напряжения генератора представится формулой (1.21). Из нее следует, что при ra = 0 напряжение генератора равно

U& = E&0

jxc I& = −U&c .

(

1.39)

 

 

Это означает, что по контуру генератор − сеть напряжения U& и U&c находятся в противофазе, а по отношению к нагрузке – в фазе.

Из формулы (1.39) следует, что при Uc = const величину тока можно изменять, изменяя ЭДС E0 по фазе или величине. Увеличим внеш-

ний момент, приложенный к валу генератора. Это приведет к ускорению ротора и сдвигу вектора E&0 по направлению вращения ротора.

Токи якоря, взаимодействуя с магнитным потоком обмотки возбуждения ротора, создают электромагнитный момент, который уравновешивает момент приводного двигателя. Чем больше внешний момент, создаваемый приводным двигателем, тем больше будет угол ϑ. и, следовательно, тем больше ток и мощность, отдаваемая генератором в сеть.

В режиме генератора вращающееся магнитное поле ротора будет вести за собой магнитное поле якоря.

Рис. 1.31. Упрощенная диаграмма генератора: при перевозбуждении машины (а), при недовозбуждении машины (б)

Рассмотрим случай, когда в генераторе, работающем вхолостую (без нагрузки), мы увеличим ток возбуждения (перевозбудим генератор) так, чтобы ЭДС Е0 ста-

ла больше напряжения сети Uc ,

(рис. 1.31, а). Появившаяся ЭДС E вызывает возникновение тока I, который отстает от ЭДС на угол π2.

Этот ток по отношению к ЭДС является индуктивным. Он будет тем больше, чем больше машина перевозбуждена и чем меньше индуктивное сопротивление. Теперь уменьшим ток возбуждения

43

Pэм = mE0 I cosψ.

(недовозбудим генератор). При этом ЭДС станет меньше напряжения сети, (рис. 1.31, б), а возникший ток меняет свое направление и опережает ЭДС на угол π2 , т.е. становится емкостным. Отсюда следу-

ет, что реакция якоря (п. 1.3) при перевозбуждении будет размагничивающей, а при недовозбуждении – намагничивающей.

Электромагнитная мощность и электромагнитный момент.

При увеличении нагрузки генератора, работающего параллельно с сетью, угол нагрузки ϑ увеличивается. Выясним зависимость электромагнитной мощности Pэм от угла ϑ . Для генератора электромаг-

нитная мощность равна

(

1.40)

Она получается в результате преобразования механической мощности, получаемой от приводного двигателя за вычетом механических потерь и магнитных потерь.

Электромагнитная мощность состоит из полезной активной мощности P, равной

P = mUI cosϕ

(

и электрических потерь в обмотке якоря

1.41)

(

р = mI 2r .

a

1.42)

 

Пренебрегая электрическими потерями, можно приравнять выра-

жения (1.40) и (1.41) и записать равенство

 

Pэм = P = mE0 I cosψ = mUI cosϕ.

(

 

1.43)

Обратимся к упрощенной векторной диаграмме неявнополюсного генератора (рис. 1.32, а).

ОпустимРис. 1.32перпендикуляр. Векторные диаграммыАВдлянаопределенияпродолжениемощностивектора напряжения

U&. Изгенераторатреугольника: для неявнополюсногоОАВ сторона( ), дляАВявнополюсногоравна (б)

AB = E0 sinϑ.

Из треугольника АВС сторона АВ равна

AB = xc I cosϕ.

Следовательно,

E0 sinϑ = xc I cosϕ.

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.44)

Подставляя (1.44) в (1.43), получим, что электромагнитная мощ-

ность будет

 

 

 

mUE0

 

 

 

 

 

 

 

(

P

 

=

 

 

sin ϑ,

 

 

 

 

 

эм

 

 

 

 

 

xc

 

 

 

 

 

 

 

1.45)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а электромагнитный момент −

 

 

 

 

 

 

 

 

M эм =

Pэм

 

=

mUE0

sinϑ.

(

ωc

 

 

 

 

 

 

 

ωc xc

 

 

1.46)

Максимальная мощность генератора будет при угле ϑ = 90o

 

Рэм.м =

 

mUE0

 

 

,

 

(

 

 

xc

 

 

 

 

 

 

1.47)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а максимальный электромагнитный момент

 

Мэм.м =

 

mUE

0

 

.

 

(

 

 

ωсxc

 

1.48)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из выражений (1.45) и

(1.46) видно, что электромагнитная мощ-

ность и электромагнитный момент зависят от напряжения,

ЭДС,

синхронного индуктивного сопротивления и синуса угла нагрузки.

Пример 5. Неявнополюсный генератор, работающий параллельно с сетью, имеет номинальную активную мощность Рн =7000 кВт,

номинальное линейное напряжение Uн =11000В, синхронное сопротивление хс =8,55 Ом, ток возбуждения при холостом ходе по характеристике холостого хода I f 0 = 211A, наибольший ток возбуждения

I f = 350A.

Определить угол нагрузки ϑ .

Решение:

Номинальное напряжение фазы

45

Uфн =Uн. / 3 =11000 / 3 = 6358,4B.

Относительное значение тока возбуждения

I f * = I f I f 0 =350 211=1,66 o.e.

По универсальной характеристике, по табл. 1, для тока I f *

находим величину ЭДС с учетом насыщения в относительных единицах

E0 * =1,22.

В абсолютных единицах

Е0 = Е0 *Uфн =1,22 6358,4 = 7757,2В.

Воспользуемся формулой (1.45). Разрешим ее относительно величины sinϑ

sinϑ =

Pнxc

 

=

 

7000000 8,55

= 0,4.

 

 

3

6358,4 7757,2

 

3U

фн

E

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Угол нагрузки ϑ 230.

Получим выражение для электромагнитной мощности явнополюсного генератора. На рис. 1.32, б приведена упрощенная векторная диаграмма генератора. Из нее следует, что электромагнитная мощность равна

Pэм = mUI cosϕ = mUI cos(ψ ϑ) = mUI cosψ cosϑ + mUI sinψ sinϑ =

(1.49

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= mU (Iq cosϑ + Id sinϑ).

 

 

 

 

 

 

 

)

Запишем очевидные соотношения

 

 

 

E0 U cosϑ

 

 

U sinϑ = Iq xq , Iq = U sinϑ ,

Е0 U cosϑ = Id xd ,

Id =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xq

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xd

 

Подставляя токи Iq и Id

в (1.49), получим выражение для элек-

тромагнитной мощности явнополюсного генератора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mUE0

sinϑ + mU

2

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

P

=

 

 

 

 

 

 

sin 2ϑ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эм

 

xd

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.50)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xq

 

 

xd

 

 

 

 

 

 

 

Электромагнитный вращающий момент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

mUE

0

 

 

mU 2

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(

M

 

=

эм

=

 

 

sinϑ +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2ϑ = М

 

+ М

 

,

 

 

 

ωc xd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

эм

 

ωс

 

 

 

2ωc xq

 

 

xd

 

0

 

 

р

 

 

1.51)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mUE0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М0 =

 

 

sin θ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωc xd

 

 

 

 

 

 

 

 

1.52)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

46

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mU2

 

1

 

1

 

(

М

р

=

 

 

 

 

sin2θ.

1.53)

2ω

 

x

 

 

x

 

 

 

 

 

c

 

q

 

d

 

Момент М0 (1.52) является основной составляющей электромаг-

нитного момента, которая обусловлена магнитным полем обмотки возбуждения. Момент Мр (1.53) представляет собой дополнительную

составляющую электромагнитного момента, которая называется реактивным моментом. Реактивный момент машины, наряду с прочими входящими в формулу (1.51) значениями электрических параметров, определяется неравенством индуктивных сопротивлений обмотки якоря синхронной машины по продольной и поперечной осям. Амплитуда дополнительной составляющей электромагнитного момента составляет 25…30 % основной составляющей.

Зависимости

Рэм = f (ϑ)

и

M эм = f (ϑ) при

U=const, I=const,

Рис. 1.33. Угловые характеристики генератора

f =const выражают так называемые угловые характеристики электромагнитной мощности и электромагнитного момента синхронной машины. Кривые 1 основного, 2 реактивного и 3 полного моментов приведены на (рис. 1.33). Номинальная величина угла ϑ составляет 20…350 .

Максимум отдаваемой явнополюсным генератором мощности за счет реактивной составляющей находится при угле ϑ < 900.

Отношение максимальной электромагнитной мощности к номинальной мощности называется перегрузочной способностью синхронного генератора:

кп =

Рэм.м

.

(

Рн

1.54)

 

 

Величина кп =1,6...1,7.

47

Рэм ϑ > 0.

При превышении угла нагрузки свыше 900 генератор выпадает из синхронизма. Выпадение из синхронизма является аварийным режимом, так как в этом случае по обмоткам якоря протекает большой ток.

В процессе работы синхронного генератора важным понятием является понятие устойчивости работы, т.е. способность генератора вернуться к исходному режиму после возникшего малого возмущения, например при случайном увеличении момента с величины Мэм1

до значения Мэм2 на валу турбины (рис. 1.33). Пусть в этом случае угол ϑн увеличится на малую величину θ и новое значение угла будет ϑн + ∆ϑ. Равновесие между тормозным моментом генератора

и моментом, создаваемым турбиной, будет нарушено, так как увеличение угла вызовет увеличение электромагнитной мощности генератора. При этом возникнет избыточный момент М , равный разности моментов генератора и турбины. Этот момент приведет к увеличению тормозящего момента генератора и, следовательно, к замедлению ротора, при этом угол θн + ∆ϑ будет уменьшаться, вследствие чего

вновь наступает равновесие между моментами генератора и турбины. Оно наступает не сразу, так как ротор обладает инерцией. Вслед- ствие этого угол θ уменьшается и становится меньше угла θн.

В этом случае электромагнитный момент генератора становится меньше момента приводного двигателя и ротор получает ускорение, угол θ начинает увеличиваться.

Таким образом, возникают колебания ротора, а, следовательно, и угла θ. Колебания ротора быстро затухают из-за тормозящего действия токов, наводящихся в замкнутых контурах (демпферных обмотках) ротора ввиду ускорения и замедления ротора относительно вращающегося поля якоря.

Работа генератора будет устойчивой, если положительному приращению угла ϑ соответствует положительное приращение электромагнитной мощности Рэм, т.е.

( 1.55)

Неравенство (1.55) определяет предел так называемой статической устойчивости генератора.

Переходя от приращений к дифференциалам в (1.55), запишем выражение удельной синхронизирующей мощности для неявнополюсного генератора

48

Р =

эм

=

mUE0

cosϑ.

(

 

 

с

dϑ

xc

 

1.56)

 

 

Производную dPэм dϑ называют коэффициентом синхронизиру-

ющей мощности.

Синхронизирующая мощность имеет максимальное значение при угле ϑ = 0 и уменьшается с возрастанием угла ϑ. При угле ϑ π2

синхронизирующая мощность обращается в нуль. При уменьшении синхронного индуктивного сопротивления хс синхронизирующая

мощность генератора увеличивается. Это можно осуществить путем увеличения воздушного зазора машины, что однако, ведет к удорожанию машины. Чем больше величина синхронизирующей мощности, тем значительнее усилие, стремящееся вернуть ротор в исходное положение.

Аналогично можно записать выражение для коэффициента синхронизирующего момента

M c =

dM

=

mUE0

cosϑ.

(

dϑ

ωc xc

1.57)

 

 

 

Продифференцировав выражение (1.50) по углу

ϑ, получим вы-

ражение удельной синхронизирующей мощности явнополюсного генератора

Р

=

эм

=

mUE0

cosϑ + mU 2

1

1

cos 2ϑ.

(

 

 

 

 

c

 

dϑ

 

xd

xq

 

xd

1.58)

 

 

 

 

Режим работы устойчив при выполнении неравенства 0 <ϑ <ϑm .

Основным мероприятием, повышающим статическую устойчивость как нормального, так и послеаварийного режима, является применение автоматической форсировки возбуждения и увеличения при этом ЭДС Е0 .

При внезапном или резком изменении режима, как, например, включения и отключения линий, трансформаторов, нагрузки или короткого замыкания генератор должен вернуться к исходному положению равновесия или же перейти к сравнительно близкому значению основных параметров равновесия. Такое свойство синхронной машины называется динамической устойчивостью. Проявляется это явление в колебаниях (качаниях) ротора с последующим их затуханием. Явление сопровождается колебаниями угла ϑ , а также колебани-

ями электромагнитной мощности. Допустим, что до изменения режима генератор развивал момент М1 (рис. 1.34). Этому моменту со-

49

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]