Синхронные машины. Машины постоянного тока

При работе машины в рассматриваемом режиме напряжение U = 0, поэтому уравнения (1.23б) и (1.19в) принимают вид:

для явнополюсной машины

;                                             (1.25а)

для неявнополюсной машины

.                                              (1.25б)

Рис. 1.29 – Характеристики холостого хода и короткого замыкания (а) и векторная диаграмма явнополюсной машины при коротком замыкании (б)

Определение индуктивных сопротивлений xd и xq. Из формулы (1.25а) можно определить синхронное индуктивное сопротивление машины по продольной оси

,                                                  (1.26a)

где э. д. с. Е0 и ток Iк должны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения (рис. 1.29, а). Для прямолинейного участка характеристики холостого хода безразлично, при каком токе возбуждения определяется xd, так как во всех случаях xd = const. Такое же значение сопротивления xd будет при любом значении тока возбуждения, если величину Е0 находить по спрямленной характеристике холостого хода. Полученное таким путем значение xd будет соответствовать ненасыщенной машине. Для насыщенной машины значение xd уменьшается и его можно было бы определить по формуле (1.26а), подставляя в нее действительное значение э.д. с, полученное по характеристике холостого хода. Однако значение xdнас с учетом насыщения будет справедливо только для одной точки характеристики, соответствующей определенной величине потока по продольной оси. Изменение тока возбуждения ведет к изменению хdнас, при этом приходится оперировать с переменной величиной, что крайне неудобно. Поэтому практически употребляется только ненасыщенное значение xd, а учет насыщения, если это требуется, производится непосредственным определением соответствующих э. д. с. по характеристике холостого хода (как это было показано при построении диаграммы Потье).

Если известны коэффициенты приведения kd и kq, то по полученному значению xd можно определить синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси:

.                                             (1.26б)

В неявнополюсных машинах xd = xq = xсн, т.е. хсн = Е0/Iк. Если выразить синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах, то

; .                           (1.27)

где Iа ном и Uном–фазные значения номинальных величин тока и напряжения.

Сопротивления в относительных единицах наглядно выражают параметры машины, показывая относительную (по отношению к номинальному напряжению) величину падения напряжения при номинальном токе. Относительные величины позволяют, кроме того, сравнивать между собой свойства генераторов различной мощности.

Отношение короткого замыкания. Иногда в паспорте машины указывается величина, обратная x d*, называемая отношением короткого замыкания:

.                                 (1.28)

Это отношение характеризует величину установившегося тока короткого замыкания Iк ном, который имеет место при токе возбуждения генератора, соответствующем номинальному напряжению

.

В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности x d* = 0,6 ÷ 1,6, a xq* = 0,4 ÷ 1. Сопротивление x d* определяется в основном реакцией якоря, так как относительная величина индуктивного сопротивления, обусловленного потоком рассеяния, мала (xsa* = 0, l ÷ 0,2). В неявнополюсных машинах средней и большой мощности обычно сопротивление хсн* = 0,9 ÷ 2,4. При указанных значениях x d* и хq*, для гидрогенераторов kо.к.з = 0,8 ÷ 1,8, а для турбогенераторов kо.к.з = 0,5 ÷ 1,0. Следовательно, установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик (в некоторых машинах он меньше номинального), так как при этом режиме угол ψк ≈ 0 и поле якоря сильно размагничивает машину. Очевидно, что результирующий магнитный поток Фрез.к << Фв и э.д.с. Ек << Е0.

Коэффициент kо.к.з имеет большое значение для эксплуатации не только потому, что показывает кратность тока короткого замыкания, но также и потому, что определяет предельную величину мощности, которой можно нагрузить синхронный генератор. В этом отношении выгоднее иметь машины с большим kо.к.з, однако это требует выполнения ее с большим воздушным зазором, что существенно удорожает машину.

Определение индуктивного сопротивления хsa. Для определения xsa снимают индукционную нагрузочную характеристику генератора, т.е. зависимость его напряжения U от тока возбуждения Iв при неизменных токе нагрузки Iа = Iном, частоте f1 и cosφ = 0 (чисто индуктивная нагрузка). Нагрузочная характеристика 2 (рис. 1.30, а) проходит ниже характеристики холостого хода 1, которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iа = 0.

Рис. 1.30 – Индукционная нагрузочная характеристика синхронного генератора (а) и его векторная диаграмма при индуктивной нагрузке (б)

Так как при снятии индукционной нагрузочной характеристики в машине имеется только продольная составляющая м. д. с. Fаd реакции якоря, то, как следует из векторной диаграммы (рис. 1–30, б), результирующая м. д. с.  и напряжение машины Ù = Ė0–jİaxad–jJaxsa = Ė–jİaxsa. Точка А кривой 2 соответствует режиму короткого замыкания, т.е. значению U = 0 при Iк = Iном. Треугольник ABC называют реактивным или характеристическим треугольником; его горизонтальный катет СА соответствует току возбуждения Iв.к, компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря Fad ном, а вертикальный катет ВС-э. д. с, необходимой для компенсации падения напряжения Ia номxsa при номинальном токе якоря. Для любой другой точки нагрузочной характеристики при φ = 90° составляющая тока возбуждения, компенсирующая размагничивающее действие реакции якоря, останется неизменной, так как величина тока якоря постоянна. Неизменным останется и падение напряжения Ia номxsa. Следовательно, нагрузочную характеристику можно получить как след вершины А реактивного треугольника при перемещении его так, чтобы вершина В скользила по характеристике холостого хода, а стороны треугольника оставались бы параллельными соответствующим сторонам первоначально построенного треугольника. В этом легко убедиться, рассматривая точку А' и треугольник А'В'С' (рис. 1.30) при номинальном напряжении Uном. В этом режиме э.д.с.

,

т.е. равна ординате точки В'; отрезок  соответствует току Iв.к, компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря. Отрезок  соответствует составляющей тока возбуждения, необходимой для индуктирования э. д. с. Esa = Ia номxsa.

Из рассмотренного вытекает следующий способ определения индуктивного сопротивления xsa. На кривой 2 находят точку А', соответствующую номинальному напряжению Uном, и откладывают влево от этой точки отрезок  (его определяют по характеристике короткого замыкания 3 для тока Iк = Iном). Затем через точку О' проводят прямую, параллельную начальной части характеристики 1, до пересечения с этой характеристикой в точке В'. Опустив из точки В' перпендикуляр на линию О'А', получают отрезок  = Ia номxsa. Следовательно,

.

Сопротивление, найденное описанным способом, несколько превышает действительное сопротивление, обусловленное потоками рассеяния:

,

и получило название сопротивления Потье. Сопротивление хр ≈ (1,05 ÷ 1,3) хsa. Последнее объясняется тем, что в точках В' и А' токи возбуждения различны, и, хотя э. д. с. и потоки в воздушном зазоре одинаковы, при большем токе возбуждения имеет место увеличение магнитного сопротивления из-за больших потоков рассеяния обмотки возбуждения, насыщающих полюсы и ярмо индуктора, т.е. реально .

1.9 Параллельная работа синхронной машины с сетью

Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно электростанции имеют несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую сеть. Это увеличивает общую мощность электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой мощность рассматриваемого генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т.е. что напряжение сети Uс и ее частота f с являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Рассмотрим условия включения генератора на параллельную работу с сетью и способы регулирования нагрузки.

Включение генератора на параллельную работу с сетью. При этом необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя.

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети uс и генератора и:

.                                    (1.29)

На практике осуществление (1.29) сводится к выполнению трех равенств:

величин напряжений сети и генератора Ucm = Um или Uс = U;

частот ωс = ωг или fс = fг;

их начальных фаз αс = αг (совпадение по фазе векторов Ùc и Ù).

Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, требуемых для подключения генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот fс ≈ fг, а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений Uс = U. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (αс = αг) контролируется специальными приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами.

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности и обычно используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампочки, включенные между фазами генератора и сети (рис. 1.31, а). На каждую лампу действует напряжение Δu = uс–и, которое при fc ≠ fг изменяется с частотой Δf = fс–fг, называемой частотой биений (рис. 1.31, б). В этом случае лампы будут мигать. При fс ≈ fг разность Δи будет изменяться медленно, вследствие чего лампы будут постепенно загораться и погасать. Обычно генератор подключают к сети в момент, когда разность напряжений Δи на короткое время становится близкой нулю, т.е. в середине периода погасания ламп; в этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ùс и Ù. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты вращения ротора, т.е. поддержание условия n2 = n1, происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этом приборе при fc ≠ fг стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот fc – fг в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При fc = fг она устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Часто также применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключается к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При самосинхронизации ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение s до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуктированием тока в успокоительной обмотке и замкнутой обмотке возбуждения. После этого в обмотку возбуждения подается постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой толчок тока, который не должен превышать 3,5Iа ном.

Рис. 1.31 – Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений ис и и перед включением (б) генератора

Регулирование активной мощности. После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети Uc. По отношению к внешней нагрузке напряжения U и Uс совпадают по фазе, а по контуру «генератор – сеть» находятся в противо-фазе, т.е. Ù = – Ùc (рис. 1.32, а). Так как перед включением в сеть генератор работал вхолостую, то при выполнении указанных ранее трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток Iа после подключения к сети также будет равен нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток Iа при работе генератора параллельно с сетью на примере неявно-полюсной машины.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (1.19в):

.                               (1.30)

Так как Ù = – Ùc = const, то величину тока İа можно изменять только двумя способами: изменяя э.д. с. Ė0 по величине или по фазе.

Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор Ė0 смещается относительно вектора Ù на некоторый угол θ в сторону вращения векторов (рис. 1.32, б). При этом возникает разность векторов Ė0 – Ù, приводящая согласно (1.30) к появлению тока İа. Вектор этого тока опережает на 90° вектор – jİаxсн и сдвинут относительно вектора Ù на некоторый угол φ, меньший 90°. При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность P = mUIa cosφ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больший внешний момент приложен к валу генератора, тем больше будет угол θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Рис. 1.32 – Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машины при параллельной работе с сетью в режимах:

а – холостого хода; б–генераторном; в-двигательном

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор Ė0 будет отставать от вектора напряжения Ù на угол θ (рис. 1.32, в). При этом возникает ток Iа, вектор которого опережает на 90° вектор – jİахсн и сдвинут на некоторый угол φ относительно вектора напряжения Ù. Так как угол φ>90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением Ù машины. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р= тÙİасоsφ забирается из сети и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т.е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки – уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного режима в двигательный.

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 1.33, а), увеличить ток возбуждения Iв, то возрастет э. д. с. Е0 (рис. 1.33, б) и по обмотке якоря будет проходить ток Iа, величина которого согласно (1.30) определяется только индуктивным сопротивлением хсн машины. Следовательно, ток İa будет реактивным: он отстает по фазе от напряжения Ù на угол 90е или опережает на тот же угол напряжение сети Ùс.

Рис. 1.33 – Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машины при параллельной работе с сетью, отсутствии активной нагрузки и изменении э. д. с. Е0 путем регулирования тока возбуждения:

а – при E0 = Uс; б – при Е0 > Uс; в-при E0 < Uc

При уменьшении тока возбуждения ток İа изменит свое направление: он будет опережать на 90° напряжение Ù (рис. 1.33, в) и отставать на 90° от напряжения Ùс. Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока İа, т.е. реактивная мощность машины Q= mUIasinφ. Активная составляющая тока İa в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Рэл = 0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой имеют место те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока Iа, т.е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины, при котором реактивная составляющая тока İa равна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения Iв больше тока Iв.п, при котором имеет место режим полного возбуждения, то ток Iа содержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения Iв меньше тока Iв.п, то ток Iа содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Рис. 1.34 – Определение активной и реактивной мощностей по упрощенным векторным диаграммам неявнополюсного (а) и явнополюсного (б) синхронных генераторов

Возникновение реактивной составляющей тока Ia физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток, сцепленный с каждой из фаз , не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

.                               (1.31)

Следовательно, если ток возбуждения Iв (т.е. поток Фв и э. д. с. Е0) становится большим, чем это требуется для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока Iа, которая создает размагничивающий поток реакции якоря Фа; при Iв меньшем, чем необходимо для полного возбуждения, возникает опережающая составляющая тока Iа, которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Фа. Во всех случаях суммарный поток машины ∑Ф автоматически поддерживается неизменным.

1.10 Мощность и электромагнитный момент синхронной машины. статическая устойчивость

Активная мощность. Чтобы установить, как зависит активная мощность Р синхронной машины от угла нагрузки θ, рассмотрим упрощенные векторные диаграммы (рис. 1.34), построенные при rа = 0. Для неявнополюсной машины из диаграммы (рис. 1.34, а) можно установить, что общая сторона АВ треугольников ОАВ и АСВ

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18