2. Несимметричные режимы работы синхронных генераторов

Несимметричные режимы работы синхронных генерато­ров возникают при неравномерной разбивке однофазных нагрузок по фазам. К числу таких нагрузок относятся электрическое освещение, электрические печи, электриче­ский транспорт на переменном токе и др. Кроме того, не­симметричные режимы кратковременно могут возникнуть при двух- и однофазных коротких замыканиях.

При несимметричных режимах токи в фазах генератора будут разные, а сдвиг между ними не будет равен 120°. Для исследования несимметричных режимов синхронных генераторов используется метод симметричных составляю­щих. Согласно этому методу в общем случае несимметрич­ная система токов раскладывается на три симметричные системы токов: прямой I₁, обратной I₂ и нулевой I₀ после­довательностей.

Токи прямой последовательности I₁ соответствуют то­кам симметричной нагрузки. Они создают реакцию якоря, индуктивные сопротивления обмотки якоря для них равны x_d и x_q, а активное сопротивление r_а. Наиболее существенной особенностью токов прямой последователь­ности является то, что они создают поле, синхронно переме­щающееся с ротором, т. е. неподвижное относительно ро­тора.

3. Влияние токов обратной последовательности на работу синхронного генератора

Потери в роторе. Токи обратной последовательности I₂ имеют обратный порядок чередования фаз по сравнению с токами прямой последовательности, поэтому они будут создавать магнитное поле, которое будет вращаться с той же скоростью, что и ротор, но в противоположную с ним сторону. Таким образом, это поле перемещается относи­тельно ротора с двойной скоростью и индуцирует в обмот­ке возбуждения и массивных частях ротора токи двойной частоты, которые вызывают соответствующие потери и на­грев ротора.

Особенно чувствительны к проявлению обратно враща­ющегося поля турбогенераторы, роторы которых выполня­ются массивными. Кроме того, чтобы уложить обмотку воз­буждения в пазы ротора с ограниченным диаметром, - приходится принимать плотность тока в ее проводниках по­вышенной. Следовательно, ротор турбогенератора в отно­шении теплового режима является напряженной частью машины и дополнительные потери в нем могут быть для него опасны. Поэтому при несимметричной нагрузке из-за недопустимого нагрева как бочки ротора, так и обмотки возбуждения мощность турбогенератора приходится сни­жать.

Переменные токи двойной частоты, индуцируемые в об­мотке возбуждения, будут накладываться на постоянный, и форма кривой тока возбуждения будет иметь вид, пока­занный на рис. 1. Если обмотка возбуждения подключе­на к возбудителю постоянного тока, то переменная состав­ляющая тока будет ухудшать его коммутацию.

Вибрации. Из-за наличия полей обратной последова­тельности в машине возникают дополнительные вибрации. Они появляются в результате взаимодействия потока воз­буждения с потоком обратной последовательности стато­ра, а также поля прямой последовательности статора и поля от токов двойной частоты ротора. Эти взаимодействия порождают знакопеременные моменты и тангенциальные си­лы, пульсирующие с двойной частотой сети.

Несимметрия напряжения. Токи обратной последова­тельности вызывают в фазах обмотки статора падение на­пряжения I₂Z₂, векторы которых имеют разные углы сдви­га относительно напряжений прямой последовательности в разных фазах. В результате этого симметрия напряжений генератора искажается и напряжение более загружен­ных фаз будет меньше.

Рис. 1. Ток в об­мотке возбуждения при несимметричной нагрузке генератора.

Сопротивление Z₂ носит название сопротивления обратной последовательности и представля­ет собой то сопротивление, которое оказывает обмотка фа­зы машины для тока обратной последовательности. Оче­видно, что чем меньше Z₂, тем в меньшей мере будет иска­жаться симметрия напряжений.

Сопротивление обратной последовательности. Оно со­стоит из активной и реактивной составляющих:

Активная составляющая сопротивления r₂ кроме соп­ротивления проводников обмотки якоря включает в себя составляющую, обусловленную магнитными потерями в стали ротора от обратного поля. Сопротивление r₂ будет больше сопротивления га для токов прямой последователь­ности.

Сопротивление х₂ обусловлено потокосцеплением обмот­ки якоря с потоком, созданным токами обратной последо­вательности статора и ротора. Поле обратной последова­тельности при повороте ротора на одно полюсное деление не будет оставаться постоянным. Причиной тому в общем случае являются магнитная и электрическая несимметрии ротора. Под магнитной несимметрией понимается измене­ние магнитной проводимости по различным осям ротора из-за его явнополюсности. Электрическую несимметрию создают обмотки ротора и другие контуры, расположен­ные по определенным осям (контуры вихревых токов в ста­ли, демпферная обмотка и т. д.). Токи, индуцируемые в об­мотках и контурах ротора полем обратной последователь­ности, являются вторичными и по правилу Ленца будут оказывать размагничивающее действие на это поле.

В неявнополюсном генераторе имеется только электри­ческая несимметрия, вызванная обмоткой возбуждения, расположенной по продольной оси. Поэтому, когда поле совпадает с продольной осью машины, оно будет несколько меньше, чем в случае, когда оно совпадает с поперечной осью. В соответствии с этим будет изменяться и индуктив­ное сопротивление х₂. Однако различие обратного поля по продольной и поперечным осям в неявнополюсном генера­торе будет относительно небольшим, так как основное демпфирующее действие оказывают вихревые токи, инду­цируемые в массивном роторе.

В явнополюсной машине существует как электрическая, так и магнитная несимметрия. Так как полюсы явнополюсных генераторов чаще всего собираются из тонких ли­стов, вследствие чего вихревые токи в стали будут невели­ки, то основное ослабляющее действие на поле обратной последовательности в машине без демпферной обмотки будут оказывать переменные токи, индуцируемые в обмот­ке возбуждения.

В соответствии с изменением магнитного поля обрат­ной последовательности при повороте ротора будет изме­няться индуктивное сопротивление х₂. За индуктивное со­противление обратной последовательности принято прини­мать среднее его значение.

Более подробный анализ показывает, что при несим­метричной нагрузке явнополюсных генераторов в токе статора могут появляться составляющие тройной частоты. Эти составляющие могут вызывать опасные резонансные явления, если в цепях обмотки статора имеются емкости.

Демпферная обмотка. Она служит для ослабления вли­яния токов обратной последовательности, протекающих в якоре, на работу синхронных явнополюсных генераторов и размещается на роторе в пазах полюсных наконечников. Поток обратной последовательности индуцирует в демп­ферной обмотке токи, которые будут оказывать на этот поток размагничивающее действие. Вследствие этого при одном и том же токе I₂ результирующий поток обратной последовательности машины уменьшается.

Для того чтобы токи, индуцируемые в демпферной об­мотке, имели достаточно большое значение, необходимое для компенсации потока обратной последовательности, ак­тивное и индуктивное сопротивления рассеяния этой обмот­ки должны быть небольшими. Поэтому обмотка выполня­ется из медных круглых стержней относительно большого диаметра. При наличии демпферной обмотки отрицатель­ные влияния токов обратной последовательности значи­тельно ослаблены и уменьшается сопротивление обратной последовательности.

Если сопротивление обратной последовательности x₂ для машины с явно выраженными полюсами при отсутст­вии демпферной обмотки в относительных единицах равно x_2*=0,3÷0,8, то при наличии такой обмотки x_2*=0,15÷0,35. Активное сопротивление r_2* относительно мало, по­этому можно принимать . Неявнополюсные гене­раторы (турбогенераторы) не имеют на роторе особых демпферных обмоток. Здесь демпфирующее действие ока­зывают вихревые токи, наводимые обратным полем в мас­сивном роторе. Индуктивное сопротивление обратной по­следовательности у турбогенераторов в относительных еди­ницах x_2*=0,12÷0,25.