3. Понятие об устойчивости двигательной нагрузки

Те или иные свойства нагрузки оказывают непосредственное влияние на устойчивость работы энергосистемы в целом. Однако характеристики нагрузки существенны не только с этой точки зрения. Дело в том, что в определённых условиях нагрузка сама может оказаться неустойчивой. Так, например, известно, что у асинхронных и синхронных двигателей, которые обычно и представляют основную часть нагрузки электроэнергетической системы, при значительном снижении напряжения на их выводах происходит их опрокидывание, и они останавливаются.

Рассмотрим выше описанные процессы подробнее, и определим критерий устойчивой работы синхронного и асинхронного двигателя.

1. Угловая характеристика и устойчивость синхронного двигателя

Уравнение угловой характеристики синхронного двигателя имеет вид:

В этом выражении:

Механическая мощность, развиваемая синхронным двигателем

ЭДС фазы обмотки статора синхронного двигателя;

Напряжение фазы обмотки статора;

Синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора;

Угол сдвига между векторами и

Внешний вид этой характеристики показан на рисунке 2.

Рис.2. Угловая характеристика мощности синхронного двигателя

Рассмотрим работу синхронного двигателя при малых возмущениях, вызывающих изменение угла . В нормальном режиме работы двигатель вращает какую-то механическую мощность, характеризующуюся тормозным моментом на валу (рисунок 3).

Рис.3. Устойчивость синхронного двигателя при изменении угла

В соответствии с рисунком 3, в исходном режиме работы двигатель имеет две устойчивые точки работы «a» и «b». Однако, только точка «a» может быть признана устойчивой.

Допустим, что при работе двигателя в точке «а» произошло увеличение угла , в результате этого рабочая точка двигателя перейдет из точки «а» в «». В новом режиме работы, ротор, испытывая тяжение силовых линий результирующего магнитного потока в воздушном зазоре, замедлится, в результате чего угол уменьшится, и рабочая точка двигателя вновь вернётся в точку «а».

Совершенно иной получается картина, когда рабочая точка двигателя находилась в точке «b». При увеличении угла двигатель перейдет из точки «» в точку «». В новом режиме работы, ротор, испытывая тяжение силовых линий результирующего магнитного потока в воздушном зазоре не замедлится, а наоборот ускорится. В результате ускорения ротора, угол еще больше увеличится, что будет сопровождаться уменьшением механической мощности и как следствие двигатель выпадет из синхронизма. Следовательно, устойчивым может быть признан режим работы двигателя при

Таким образом, можно сформировать условие статической устойчивости работы синхронного двигателя при изменении угла :

Рассмотрим работу синхронного двигателя при малых возмущениях, вызывающих изменение напряжения на зажимах статора .

Согласно уравнению угловой характеристики синхронного двигателя, амплитуда угловой характеристики зависит от величины подведенного к нему напряжения. На рисунке 4 представлены зависимости при уменьшении напряжения, при этом . Из зависимостей видно, что при уменьшении напряжения увеличивается угол , но потребляемая активная мощность в соответствии с СХН синхронной машины не меняется. Это связано с тем, что приводной механизм не ощущает каких-либо изменений в работе двигателя. Это продолжается до снижения напряжения до критической величины . При дальнейшем снижении напряжения механическая мощность, развиваемая двигателем, становится меньше тормозного момента на валу и устойчивая работа двигателя нарушается.

Под критическим напряжением понимается предельное наименьшее напряжение в узле электроэнергетической системы по условиям статической устойчивости.

Рис.4. Угловые характеристики мощности синхронного двигателя при изменении напряжения

2. Механическая характеристика и устойчивость асинхронного двигателя

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя имеет вид:

В этом выражении:

механический момент, развиваемый двигателем пропорционален активной мощности, получаемой двигателем из сети;

напряжение фазы обмотки статора;

приведенное активное сопротивление фазы обмотки ротора;

скольжение двигателя;

синхронная угловая частота вращения основного магнитного потока;

индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора;

приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора;

активное сопротивление фазы обмотки статора;

Внешний вид этой характеристики показан на рисунке 5.

Рис.5. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Для анализа работы асинхронного двигателя воспользуемся механической характеристикой представленной на рисунке 5. При включении двигателя в сеть магнитный поток статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой , а ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным и скольжение Под действием этого момента начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой

При критическом скольжении момент, развиваемый двигателем, достигает своего максимального значения. С дальнейшим нарастанием частоты вращения момент начинает уменьшаться, пока не достигнет значения равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента холостого хода и полезного нагрузочного момента ( статический момент).

Анализ механической характеристики показывает, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше критического т.е. на участке ОА механической характеристики. Именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента.

При увеличении полезного нагрузочного момента на валу двигателя равенство моментов на валу нарушится, и частота вращения ротора начинает уменьшаться (скольжение будет увеличиваться). Это приведет к росту электромагнитного момента до нового установившегося значения (точка «B). Аналогичные выводы можно сделать и о том режиме, если полезный нагрузочный момент на валу двигателя уменьшился (точка С).

Работа асинхронного двигателя становится неустойчивой при скольжениях В точке «А» электромагнитный момент двигателя а скольжение то даже незначительное увеличение нагрузочного момента приведет к процессу уменьшения электромагнитного момента За этим последует увеличение скольжения до тех пор, пока оно не достигнет значения т.е. пока ротор двигателя не остановится.

Критерием статической устойчивости асинхронного двигателя является положительный знак производной механической характеристики при увеличении скольжения:

Рассмотрим работу синхронного двигателя при малых возмущениях, вызывающих изменение напряжения на зажимах статора .

Максимальный электромагнитный момент, развиваемый асинхронным двигателем пропорционален квадрату напряжения фазы обмотки статора:

При снижении напряжения на зажимах обмотки статора, амплитуда механической характеристики будет сильно уменьшаться, что отражено на рисунке 6, при этом .

Рис.6. Механические характеристики асинхронного двигателя при различном напряжении

Следовательно, при определенном уровне снижения напряжения от номинального значения, электромагнитный момент, который двигатель развивал при номинальном напряжении, станет равным максимальному моменту механической характеристики. Вследствие этого устойчивая работа асинхронного двигателя нарушится.

Значение критического напряжения, критического скольжения и максимальной мощности характеризуют предельное состояние режима по устойчивости асинхронной нагрузки.

Зная эти предельные параметры и параметры при номинальном режиме, можно оценить запас статической устойчивости. Уровень статической устойчивости для асинхронного двигателя можно оценить при помощи коэффициента запаса по напряжению: