4.12. Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью

Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью с большой мощностью, 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.

1. Возбуждение генератора остается постоянным, а момент изменяется.

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 угла Q. Угол Q на векторных диаграммах – это угол между осью индуктора и результирующим потоком Фб. При холостом ходе генератора существует поток Ф₀ – созданный обмоткой возбуждения. При нагрузке в обмотке якоря создается поток якоря Фа. Этот поток накладывается на поток Ф₀ и создает результирующий поток Фб. Пространственный угол Q и момент можно представить на рис. 33.

Рис. 33.

Как видим из рис. 33 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 Q. Поговорим о статической устойчивости синхронного генератора применительно к неявнополюсной машине. Синхронная машина (генератор) устойчиво с сетью работает в диапазоне угла Q = 0-90⁰, а дальше машина выпадает из синхронизма, рис. 34. В т. А устойчивый режим работы.

Рис. 34.

Если отдаваемая мощность, а следовательно и электромагнитый момент возрастут (согласно рис. 33), то угол Q уменьшится и машина вернется в т. А. Если же отдаваемая мощность и момент уменьшатся, то согласно с рис. 33 угол Q возрастет т.к. Мт>М и машина вернется в исходную точку. Отсюда видно, что угол Q может меняться от 0 до 90⁰ при устойчивой работе с сетью.

Если же угол Q 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 Qн = 15-20⁰. Как уже было сказано, что если угол Q < 90⁰, то машина работает неустойчиво с сетью. Допустим, работаем в т. В. Если отдаваемая мощность будет меньше мощности турбины, то (рис 34) угол Q будет увеличиваться, а с увеличением угла Q отдаваемая мощность будет падать, т.е. при этом машина никогда не вернется в т. В., поэтому угловая характеристика от Q = 90⁰-180⁰ неустойчива. Перегрузочная способность генератора:

К п = Рэмmax = 1

Рэмн sinQн

Синхронизирующая мощность.

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

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

Рс = dРэм/dQ = mUE₀ cosQ/Xc, где Рс – удельная синхронизирующая мощность. Синхронизирующая мощность равна удельной синхронизирующей мощности, уменьшенной на все смещение Q.

Рсх = РсQ

Из выражений Рсх и Рэм следует, что когда угол Q=0, генератор развивает наибольшую синхронизирующую мощность, но его электромагнитная мощность Рэм = 0. Наоборот, когда угол Q = 90⁰, генератор развивает наибольшую электромагнитную мощность, а его синхронизирующая мощность Рсх = 0, рис. 34.

2. Момент генератора остается постоянным, а ток возбуждения изменяется.

M = const, ib = var.

Для анализа воспользуемся векторной диаграммой ЭДС для неявнополюсной машины, рис. 35.

Рис 35.

Если момент М = const, то и Р = const, M = mE₀UsinQ/wXc = const, если изменяется ток возбуждения то изменяется и ЭДС. Для постоянства момента необходимо, чтобы E₀sinQ = const мощность P=mUIcosf. Постоянство мощности получится при Icosf = Iа = const. При анализе режима учтем эти условия. Развернем диаграмму рис. 36 так, чтобы вектор напряжения генератора Uг был направлен горизонтально и уравновешен напряжением сети Uс.

Рис. 36.

Из условий видим, что вектор ЭДС Е₀ должен скользить по прямой QR параллельно вектору напряжения, т.к. ab = E₀sinQ = const. При изменении возбуждения конец вектора тока статора (якоря) будет скользить по прямой MN, т.к. Ia = Icosf = const. При перевозбуждении ЭДС будет соответствовать величине Е₀ и току I. Если разложить ток I, то его реактивная составляющая будет опережать вектор напряжения сети Uс 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 Е₀ уменьшится до величины Е₀¹ и ток в статоре будет иметь наименьшую величину I¹ = Ia и cosf = 1. При этом генератор не отдает и не потребляет реактивной мощности.

При перевозбужденном режиме ток I отстает от вектора напряжения генератора Uг на угол f. Если и дальше уменьшать ток возбуждения ЭДС уменьшится до величины Е₀¹¹, а ток I¹¹ будет опережать напряжение генератора на угол f¹. Реактивная составляющая тока статора по отношению к вектору напряжения сети Uс 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. изменять cosf. Зависимости тока статора I от тока возбуждения ib называются U-образными характеристиками. На рис. 37 представлены графически U-образные характеристики при различных мощностях.

Рис. 37.

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