3.2. Показатели качества электроэнергии в переходных режимах

В переходных режимах, обусловленных резкими изменениями нагрузки и коммутациями цепей, возникают быстро изменяющиеся отклонения от установившихся значений амплитуд напряжения U_m(t) и частоты f(t). Эти отклонения характеризуют следующие показатели.

1. Провал (U_min) и всплеск (U_max) напряжения:

г де U_{m min} и U_{m max} – экстремальные значения амплитуд напряжения при набросе и сбросе нагрузки. На рис. 3.3 показана динамика процессов изменения огибающей напряжения при внезапном включении на генератор большой нагрузки и ее отключении.

На кривой провала напряжения можно выделить три точки, характеризующие: первоначальный провал напряжения (U_{0 min}); максимальный провал напряжения (U_min); время восстановления (t_в), соответствующее вхождению напряжения в зону, определяемую точностью поддержания напряжения 3 % (U_m(t)  2U_у.) На значения перечисленных показателей влияют разные факторы. Если U_min и t_в определяются характеристиками системы регулирования напряжения, в частности, ее быстродействием, то U_{0 min} является следствием проявления процессов, происходящих в электрических машинах в момент нарушения режима их работы. Современные быстродействующие системы стабилизации напряжения обеспечивают t_в  100 мс. В таких системах максимальным провалом напряжения является первоначальный провал (U_min=U_{0 min}) – кривая «1» на рис.3.3.

Рис. 3.3. Огибающая напряжения генератора с быстродействующим 1 и инерционным 2 регуляторами напряжения при набросе и сбросе 3 мощной нагрузки

В синхронных генераторах ток каждой фазы создает пульсирующее поле. Пульсирующие поля трех фаз сдвинуты в пространстве и времени относительно друг друга на 120 . Три пульсирующих поля, сдвинутых в пространстве и времени на 120 , образуют вращающееся синхронно с ротором поле. Ориентация вращающегося поля статора относительно основного поля машины, создаваемого обмоткой возбуждения, находящейся на роторе, зависит от вида нагрузки (cos). Активная нагрузка (cos = 1) создает поле, которое, с определенными допущениями, можно считать расположенным перпендикулярно основному полю ротора. Поле, создаваемое индуктивной нагрузкой (cos = 0), направлено встречно основному полю, а емкостной – согласно. Воздействие магнитодвижущей (намагничивающей) силы (МДС) обмотки статора, равной F=IW, W – число витков обмотки, на МДС обмотки возбуждения принято называть реакцией якоря.

В СЭЭС синхронный генератор работает на смешанную, активно – индуктивную нагрузку с cos 0,8. Однако, для выяснения вопроса о природе возникновения U_{0 min} и факторов, определяющих его значение, ограничимся рассмотрением индуктивной нагрузки. При включении мощной реактивной нагрузки возникает размагничивающая реакция якоря. Согласно закону электромагнитной инерции Э.Х.Ленца (при всяком изменении магнитного потока, сцепляющегося с каким-либо проводящим контуром, в последнем возникают силы электрического и механического характера, стремящиеся сохранить постоянство магнитного потока) ток в обмотке ротора возрастет, чтобы скомпенсировать уменьшение потока. Характер изменения напряжения и тока возбуждения в генераторе без регулятора (а) и с регулятором напряжения (б) при набросе индуктивной нагрузки иллюстрирует рис. 3.4. Сброс нагрузки сопровождается этими же явлениями, а кривые переходного процесса имеют зеркальный вид.

Рис. 3.4. Характер изменения напряжения и тока возбуждения в генераторе без регулятора (а) и с регулятором напряжения (б) при набросе индуктивной нагрузки.

На рис. 3.5 представлена осциллограмма процесса наброса и сброса активно-реактивной нагрузки на СГ.

Рис. 3.5. Осциллограмма переходного процесса наброса и сброса нагрузки на СГ

Несмотря на то, что в первый момент изменения режима работы генератора потокосцепление обмотки ротора неизменно, наличие рассеяния этой обмотки приводит к уменьшению полезного потока. Поэтому в переходных режимах при описании генераторов без демпферных (успокоительных) обмоток используют продольную переходную реактивность

,

где: x_d – продольная реактивность; x_ad – продольная реактивность взаимоиндукции обмоток статора и ротора (сопротивление реакции якоря по продольной оси); x_f – индуктивное сопротивление обмотки ротора; << x_d, так, для генератора типа МСК-92-4, мощностью 100 кВт -

Явнополюсные машины, как правило, имеют демпферную обмотку, выполненную в виде стержней, заложенных в пазы полюсных наконечников и соединенных на торцевых сторонах пластинами. Действие успокоительной обмотки также проявляется в переходных режимах и учитывается продольной сверхпереходный проводимостью , которая приблизительно в 2 раза меньше . В неявнополюсных генераторах колебания устраняются лишь действием вихревых токов, наводимых в сердечнике ротора.

В качестве параметра, позволяющего связать предыдущий и последующий режимы работы машины, используется сверхпереходная (переходная) поперечная составляющая электродвижущей силы (E_q^”). Тогда

г де х_н – сопротивление нагрузки.

Если нагрузка подключается к генератору, работающему на холостом ходу, то первоначальный провал будет

Таким образом, первоначальный провал напряжения зависит от величины и характера включаемой нагрузки, параметров предшествующего режима и параметров генератора. Изменение U_{0 min} возможно только с помощью специальных регуляторов, обеспечивающих упреждающую форсировку напряжения.

Рассмотренные выше физические процессы объясняют характер изменения напряжения при сбросе нагрузки (кривая “3” на рис. 3.3). Всплеск напряжения достигает максимального значения в первый момент сброса нагрузки. Обычно U_{0 min} < U_{0 max}. Это можно показать следующим образом:

Требования к количественным показателям кривой изменения напряжения при набросе и сбросе нагрузки формулируются следующим образом: внезапное изменение симметричной нагрузки генератора, работающего при номинальной частоте вращения и номинальном напряжении, при имеющихся токе и коэффициенте мощности, не должно вызывать снижение номинального напряжения ниже 85 % и повышения выше 120 %. После этого напряжение генератора должно в течение не более 1,5 с восстанавливаться в пределах 3 % номинального напряжения. Для аварийных агрегатов эти значения могут быть увеличены по времени до 5 с и по напряжению до 4 % номинального.

Появление на судах новой вычислительной и информационной техники вызывает в последнее время необходимость учета и нормирования импульсных изменений напряжения, длительность которых находится в микросекундном диапазоне, а амплитуды достигают сотен процентов номинального значения напряжения.

2. П ровалы (f_min) и повышения (f_maх) частоты:

где f_min и f_max - минимальная и максимальная частоты.

И зменения частоты при подключении и отключении нагрузки на генератор описывается уравнением движения привода:

где: J – момент инерции (кг м²); = ( p n / 30); М_д – движущий момент; М_с – момент сопротивления на валу (Н м), определяемый значением активной составляющей нагрузки генератора.

Кривые, представленные на рис 3.6, показывают, как меняется частота вращения первичного двигателя ГА, а, следовательно, и частота сети, при набросе активной нагрузки на генератор. Значение максимального отклонения, а также длительность переходного процесса, зависит как от инерционности агрегата и величины нагрузки, так и от характеристики регулятора частоты вращения первичного двигателя.

Рис. 3.6. Изменение частоты вращения первичного двигателя с астатическим (1) и статическим (2) регуляторами частоты вращения при подключении к генератору активной нагрузки

Динамические изменения частоты в СЭЭС в переходных режимах не должны превышать 10% ее номинального значения и длиться более 5 с.