Приложение,

к оторое иллюстрирует полезность применения ВД

При анализе работы синхронной машины (неважно, генератор или двигатель) можно говорить о взаимодействии двух магнитных полей. Обмотка возбуждения ротора питается постоянным током и создаёт магнитное поле неподвижное относительно ротора. Однако сам ротор вращается, поэтому имеем дело с вращающимся магнитным полем. Обмотки статора неподвижны, но они подключены к сети переменного трёхфазного тока, при протекании которого по ним обмотки создают вращающееся магнитное поле. В синхронной машине поля ротора и статора вращаются с одинаковой скоростью, друг относительно друга они неподвижны и взаимодействуют аналогично постоянным магнитам (рис. П1). Если в пространстве они совпадают (угол сдвига  между ними отсутствует), энергия через магнитное поле не передаётся. Если поле ротора опережает поле статора, получается генераторный режим работы у синхронной машины, когда кинетическая энергия ротора, которая возникает за счёт первичного движителя (турбины), передается через магнитное поле обмоткам статора и оттуда в виде электрической энергии попадает в сеть. Если поле ротора отстаёт от поля статора, электроэнергия из сети через статорные обмотки, затем через магнитное поле, через тело ротора превращается в механическую энергию на валу ротора. Получается двигательный режим.

Таким образом, в генераторе поле ротора опережает поле статора на некоторый угол . Причём передаваемая энергия пропорциональна синусу этого угла.

П окажем, что это действительно так. В первом приближении обмотки статора или ротора можно считать соленоидами, а для простоты вообще рассматривать лишь один виток. Геометрически плоскость витка перпендикулярна оси магнитного поля, созданного витком с током. Максимальная ЭДС в витке статора наводится, когда мимо витка проходит один из полюсов поля ротора, то есть плоскости витков статора и ротора взаимно перпендикулярны в этот момент. Активная мощность, потребляемая статорной обмоткой, находится по формуле Р = UIcos, причем в качестве напряжения здесь можно рассматривать наводимую в витке статора ЭДС. Максимальная мощность получится при угле  = 0, то есть ток в статорной обмотке совпадает по фазе с наводимой ЭДС. Таким образом, плоскость витка статора совпадает в пространстве с осью поля ротора, то есть поля ротора и статора взаимно перпендикулярны. И наоборот, если поля статора и ротора в пространстве будут совпадать, это будет означать, что угол между током статора и наводимой в обмотке статора ЭДС окажется равным 0, и значит, активная мощность статором потребляться не будет. А ведь потребляемая статором активная мощность как раз и определяет степень магнитной связи между статором и ротором. В этом состоит принципиальное отличие между взаимодействием статора и ротора и взаимодействием постоянных магнитов. Наибольшая сила притяжения между магнитами получается при угле между ними 0, а между полями статора и ротора – при 90.

Как можно догадаться, делать угол  более 90 нецелесообразно, а при угле более 180 машина переходит из генераторного режима в двигательный, то есть выпадает из синхронизма. Для мощных генераторов в целях обеспечения запаса статической устойчивости этот угол не превышает  = 20-30.

В обмотках статора результирующее вращающееся магнитное поле наводит ЭДС. Это результирующее поле возникает из наложения полей ротора и статора, причём поле, создаваемое статорными обмотками и искажающее исходное поле ротора, называется реакцией якоря. Рассматриваемые поля вращаются с постоянной скоростью, поэтому каждое из них можно представить вращающимся вектором на комплексной плоскости. Получающаяся векторная диаграмма представлена на рис. П2. Положим, что для создания номинального напряжения (номинальной ЭДС) на статорной обмотке необходим магнитный поток Ф_. Далее, пусть по статорной обмотке протекает номинальный ток, который создаёт магнитное поле величины Ф_ст. Однако допустим, что этот ток может меняться по фазе в широких пределах (это зависит от нагрузки, которой является сеть, представляемая при анализе активным двухполюсником). Тогда, как это видно из ВД рис. П2, геометрическим местом конца вектора Ф_рот, представляющего магнитное поле ротора, является окружность. Видно, что если ток возбуждения генератора будет невелик (Ф_рот<Ф_, недовозбуждённый генератор; на рис. П2 векторы, изображённые сплошными линиями), ток статора должен быть таким, чтобы компенсировать недостачу; то есть генератор должен потреблять реактивную мощность. Если перевозбудить генератор, то есть Ф_рот>Ф_ (на рис. П2 векторы нарисованы штриховыми линиями), статорные обмотки должны создавать поле, ослабляющее поле ротора. При этом генератор будет отдавать реактивную мощность в сеть. Наконец, если окажется, что ток возбуждения настолько мал, что Ф_рот+Ф_ст<Ф_, это будет означать, что генератор не сможет обеспечить нужную величину напряжения на зажимах статорных обмоток.

С помощью ВД рис. П3,в покажем, что величина тока возбуждения существенным образом влияет на параметры синхронной машины и на её режимы работы. Векторную диаграмму строим для одной фазы статорной обмотки (это допустимо в случае симметричного режима работы трёхфазной машины) в соответствии со схемой рис. П3,а, где сеть, на которую работает генератор, представлена активным двухполюсником Z_С-Е_С. Статорная обмотка обладает резистивным сопротивлением R_ст и индуктивностью L_ст. Однако, активным сопротивлением обмотки у мощного генератора можно пренебречь, а индуктивность, в которой вращающимся магнитным полем Ф_ наводится ЭДС Е, можно заменить идеальным источником этой ЭДС. Получим рис. П3,б. Положим, что напряжение сети U_С неизменно, то есть суммарный магнитный поток в магнитной цепи генератора Ф_ есть величина постоянная; подача пара в турбину турбогенератора неизменна, что означает, что генератор работает с постоянной активной мощностью. Вектор Ф_ отложим произвольно (горизонтально). Под влиянием Ф_ наводится постоянная ЭДС Е=U_С. Активная составляющая тока I_a, определяющая активную мощность генератора, будет константой при любом токе статора. Это означает, что при изменении тока статора, конец вектора тока статора скользит вдоль прямой линии 1 на ВД. Вектор магнитного потока статора совпадает по направлению с вектором тока статора и строго пропорционален ему. В связи с этим конец вектора Ф_ст скользит вдоль прямой линии 2. Если генератор перевозбуждён, магнитный поток, создаваемый ротором, велик, получаем первый режим работы генератора, представленный на ВД векторами Ф_рот1-Ф_ст1-I₁. Ток I₁ отстает по фазе от напряжения U_С, что означает: сеть потребляет реактивную мощность, или, что то же самое, генератор генерирует реактивную мощность. Если генератор недовозбуждён, магнитный поток, создаваемый ротором, мал, получаем второй режим работы генератора, представленный на ВД векторами Ф_рот2-Ф_ст2-I₂. Ток I₂ опережает по фазе напряжение U_С, что означает: сеть выдает реактивную мощность, или, что то же самое, генератор потребляет реактивную мощность. Причём, ток ротора должен быть достаточным, чтобы обеспечить величину магнитного потока Ф_рот большую, чем уровень 2 на ВД. В противном случае, выдаваемая в сеть активная мощность станет меньше требуемой, то есть меньше мощности, получаемой турбиной от пара. Тормозящий момент окажется меньше вращающего, и ротор генератора начнёт разворачиваться с ускорением и выйдет из синхронизма. Если генератор работал во втором режиме и произошёл внезапно наброс нагрузки (резкое увеличение активной составляющей тока I_а и, соответственно, уровня 2), величина Ф_рот может снова оказаться недостаточной. Поэтому, чтобы обеспечить запас статической устойчивости работы генератора, нужно, чтобы он работал с некоторым перевозбуждением, то есть в режиме 1, и выдавал реактивную мощность в сеть. Более того, в случае внезапного изменения нагрузки для того, чтобы сохранить синхронный режим работы генератора, рекомендуется увеличить ток возбуждения, то есть усилить связь между полями статора и ротора. С этой целью в генераторах используется устройство АРВ (автоматическая регулировка возбуждения)

Подобным же образом можно анализировать работу синхронного двигателя по ВД. Эквивалентная схема одной фазы статора и ВД представлены на рис. П4. В режиме 1 (перевозбуждённый двигатель) фазный ток статора опережает напряжение сети по фазе, и двигатель генерирует реактивную мощность. В режиме 2, напротив, ток отстает от напряжения по фазе, и двигатель потребляет реактивную мощность из сети. Оба эти режима для двигателя являются приемлемыми, так как выпадение из синхронизма двигателю не грозит. Он всегда вращается в соответствии с частотой сети. Необходимо только, чтобы ток возбуждения был достаточен, чтобы вектор магнитного потока ротора доставал до уровня 2. В противном случае, тормозящий момент механической нагрузки двигателя окажется выше вращающего момента, и двигатель остановится.

В сё вышесказанное полностью коррелируется с курсовой работой по ТОЭ при расчёте присоединения второго типа (для нечетных вариантов). Здесь следует подбирать коэффициенты kk и . Коэффициент kk соответствует регулировке тока возбуждения и должен быть больше единицы, а угол  представляет собой угол между осями полей статора и ротора, а управляется этот угол подачей пара в турбину турбогенератора или изменением расхода воды, если речь идет о гидрогенераторе.

.