Тема 3.3. Параллельная работа с сетью (синхронные режимы работы) 3.3.1. Работа на сеть бесконечной мощности

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью называется синхронным. Предположим, что сеть является бесконечно мощной, т.е. в ней U = const и f = const. Это означает, что изменение режима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети. Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети. Для простоты предположим, что включаемая машина является неявнополюсной и сопротивления якоря r_a = 0. Тогда, согласно диаграмме

рис. 3.9 ток якоря машины определяется зависимостью

. (3.44)

Изменение реактивной мощности. Режим компенсатора. Предположим, что при включении на параллельную работу с сетью условия включения (синхронизации) генератора были соблюдены в точности. Тогда , т. е. машина после включения не примет на себя никакой нагрузки.

Рис. 3.16. Векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машины при работе в режиме компенсатора (а,б), генератора (в) и двигателя (г)

Предположим, что ток возбуждения после синхронизации был увеличен и поэтому (рис. 3.16,а). Возникает ток , отстающий от , а также от и на 90. Машина будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что

(рис. 3.16,б), то ток также будет отставать от на 90, но будет опережать и на 90, т.е. машина будет отдавать в сеть емкостной ток и потреблять из сети реактивную мощность. Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины вызывает изменение только реактивного тока и реактивной мощности. При E>U синхронная машина называется перевозбужденной, а при E < U − недовозбужденной . При равенстве активной мощности нулю перевозбужденная синхронная машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная − индуктивности.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным компенсатором. Компенсаторы применяются для повышения коэффициента мощности и поддержания напряжения сети. Если, например, такой компенсатор установить в районе большой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий реактивной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических станций будут разгружены от этой мощности, коэффициент мощности генераторов и сети повысится, потери мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и двигателя. Изменение тока возбуждения не вызывает появления активной нагрузки или её изменения. Чтобы включенная на параллельную работу машина, приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить механический вращающий момент на её валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину. Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора и, следовательно, вектор ЭДС генератора забегут вперед на некоторый угол . При этом возникнет ток , отстающий, как и ранее, от на 90. Но, как следует из рис. 3.16,в в данном случае -90 <  < 90 и  >0, т. е. машина отдает в сеть активную мощность. Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то ЭДС отстанет от на некоторый угол , ток будет отставать от на угол (рис. 3.16, г). При этом мощность машины  < 0 и машина будет работать в режиме двигателя, потребляя мощность из сети.

Как следует из рис. 3.16,в,г, у генератора вектор отстает от вектора , а у двигателя − наоборот. Угол нагрузки  в первом случае будем считать положительным, а во втором − отрицательным. 3.3.2. Работа на сеть ограниченной мощности

В этих условиях изменение режима работы одного генератора оказывает заметное влияние на режим работы других генераторов. Допустим, что параллельно на общую сеть работают два генератора одинаковой мощности. Если, например, увеличить одновременно токи возбуждения i_f1 ,i_f2 этих ягенераторов, то напряжение U обоих генераторов и всей сети возрастет. Для перераспределения общей реактивной мощности между отдельными генераторами при U=const нужно токи возбуждения одних генераторов увеличивать, а других  уменьшать. Если увеличить частоту вращения первичных двигателей всех генераторов в системе ограниченной мощности, то частота сети будет возрастать. При этом повысится также мощность потребителей. Для сохранения f = const при увеличении мощности первичного двигателя одного генератора мощность первичного двигателя второго нужно уменьшить. При этом происходит перераспределение активных мощностей. При недостатке генерируемой активной мощности в системе частота f будет падать, что нарушит нормальное энергоснабжение потребителей. При недостатке генерируемой реактивной мощности напряжение системы будет падать, при определенных условиях даже катастрофически (лавина напряжения). Поэтому сохранение баланса реактивных мощностей не менее важно, чем сохранение баланса активных мощностей.

3.3.3. Угловые характеристики мощности синхронных машин

Мощность СМ зависит от угла нагрузки  между векторами ЭДС и напряжения машины. Зависимость при E = const и U = const называется угловой характеристикой активной мощности СМ. Примем r_a=0. Спроектируем (рис.3.8) векторы ЭДС, напряжений и падений напряжения на направление вектора и на направление, перпендикулярное ему. Тогда получим , , откуда , . (3.45) Учитывая, что (рис. 3.8), для мощности генератора имеем =.Заменив здесь I_d и I_q по формулам (3.44) , получим или . (3.46)

Неявнополюсная машина. Понятие о статической устойчивости. Предполагаем, что машина работает на сеть бесконечной мощности:

U = const, f = const и ток возбуждения не изменяется. Для неявнополюсной машины и на основании (3.45)

. (3.47) Таким образом, зависимость P = f () представляет собой синусоиду. Полуволны Р > 0 соответствуют генераторному режиму работы и полуволны

P < 0 - двигательному. Критический угол нагрузки _кр = 90 соответствует максимальной мощности . (3.48) Максимальная мощность обратно пропорциональна величине х_d . Для уменьшения х_d в СМ зазор выполняется больше, чем в асинхронных. Режим работы называется статически устойчивым, если при наличии весьма небольших возмущений параметров (напряжения, тока возбуждения и т.д.) изменение режима работы также будут небольшими и при прекращении этих возмущений восстановится прежний режим работы. Режим работы синхронной машины статически устойчив, если dP/d  0. (3.49) Работа неявнополюсного генератора устойчива в области  < 90^o.

Критический угол нагрузки _КР =  90. Невозбужденная явнополюсная машина.

Если i_f = 0, то и E = 0 , так как ЭДС от остаточного магнитного потока пренебрежимо мала. В этом случае зависимость на основании (3.45) представляет собой синусоиду удвоенной частоты . (3.50) Явнополюсная машина в состоянии развивать мощность без возбуждения. Устойчивая работа в режиме генератора происходит при 0 <  < 45^о. Пределу устойчивой работы соответствует _КР =  45. В машине существует только поток реакции якоря. При неявнополюсном роторе, когда x_d = x_q, положение ротора относительно вращающегося поля реакции якоря безразлично, поэтому машина не развивает мощности. В явнополюсноймашине ротор стремится занять по отношению к вращающемуся полю положение, при котором сопротивление магнитному потоку минимально. Невозбужденная явнополюсная машина развивает электромагнитный момент исключительно вследствие действия поля реакции якоря при наличии неравномерности воздушного зазора (x_d  x_q) и называется поэтому реактивной. Реактивный режим работы может возникнуть в случае, когда явнополюсный генератор по какой-либо причине теряет возбуждение и был при этом слабо загружен. Последнее обстоятельство существенно потому, что предельная мощность, которую может развить генератор в этом режиме, невелика.

Числовой пример. В относительных единицах .Если , , , то ,т.е. . Машина в этом режиме потребляет большой реактивный ток для создания магнитного поля. На холостом ходу ( = 0) . Числовой пример.При U_* =1 и x_d* =1,1 будет I_* = 0,91. На практике применяются синхронные явнополюсные двигатели малой мощности без обмотки возбуждения (реактивные двигатели). Возбужденная явнополюсная машина. В этом случае машина развивает мощность как за счет электромагнитного момента, создаваемого потоком возбуждения, так и за счет реактивного электромагнитного момента. На рис. 3.17 изображены кривые 1 и 2 обеих составляющих мощности и кривая 3 суммарной мощности. Максимальная мощность и предел устойчивости работы в данном случае наступают при критическом угле _КР , значение которого определяется равенством

,

где , . В относительных единицах . Числовой пример (рис.3.17).

У генератора с , и

(инд.) при номинальной

Рис.3.17. Угловая характеристика нагрузке () ЭДС от потока

активной мощности возбужденного возбуждения и , что

явнополюсного генератора при можно установить путем построения

E_* =1,87,U_*=1,x_d*=1,1,x_q*=0,75 векторной диаграммы.

Таким образом,

= .Вторая составляющая мощности незначительна и в данном случае составляет 19 % от всей мощности. Для данного генератора при и критический угол нагрузки _КР = 77 и предельная мощность , т.е. примерно в два раза больше номинальной активной мощности ().

3.3.4. Синхронизирующая мощность и статическая перегружаемость При изменении угла нагрузки  в определенных пределах синхронная машина способна сохранять синхронный режим работы. Устойчивое состояние работы обеспечивает синхронизирующую мощность, представляющую собой разность между подводимой и отдаваемой ею мощностью, и соответствующий ей синхронизирующий момент , . На основании (3.45) для явнополюсной машины . (3.51) Для неявнополюсной машиныx_q = x_d и выражение (3.51) упрощается. Кривая синхронизирующей мощности Р_СМ показана на рис. 3.17 в виде пунктирной кривой. Режим работы синхронной машины устойчив, когда синхронизирующие мощность и момент положительны. Синхронизирующая мощность и момент для перевозбужденной машины (E>U) больше, чем недовозбужденной (E<U), поэтому перевозбужденная машина в большей степени способна сохранять устойчивый режим работы, чем недовозбужденная.

При увеличении механической мощности на валу синхронной машины свыше ее максимальной мощности P_m машина выйдет из синхронизма и ротор ее будет вращаться асинхронно с некоторым скольжением s относительно поля статора. Подобный режим недопустим, так как он опасен для машины и нарушает нормальную работу сети. Поэтому при эксплуатации синхронных машин необходимо обеспечить их устойчивую синхронную работу.

Статическая перегружаемость синхронной машины характеризуется отношением максимальной мощности P_m (3.47) при номинальных значениях напряжения и тока возбуждения к номинальной мощности

. (3.52) Величина k_П тем больше, чем меньше угол _Н при номинальной нагрузке.

Обычно _Н = 20 ... 35 [1].

Номинальная мощность . (3.53) Для неявнополюсной машины , (3.54) где . ЭДС индуктируется током возбуждения при установившемся трехфазном коротком замыкании, когда . Поскольку ЭДС и пропорциональны току возбуждения и , то

. Поэтому вместо (3.53) с учетом (3.43) можно написать , (3.55) где - ток возбуждения холостого хода при U = U_H. Статическая перегружаемость синхронных машин тем больше, чем больше их о. к. з., т.е. чем меньше относительное значение x_d или чем больше воздушный зазор.

Для неявнополюсной машины на основании равенств (3.46) и (3.47) . (3.56) Статическая перегружаемость явнополюсных синхронных машин также выражается (3.53) ... (3.55) с введением добавочного множителя . (3.57) Величина статической перегружаемости стандартизирована [11, 12]: для турбогенераторов не менее 1,6...1,7, гидрогенераторов – 1,7 , двигателей – 1,65.

3.3.5. Работа синхронной машины при постоянной мощности

и переменном возбуждении Рассмотрим зависимость тока I от тока возбуждения при постоянной активной мощности в случае параллельной работы машины с сетью бесконечной мощности (U = const). Для простоты определим эту зависимость для неявнополюсной машины (рис. 3.18). Полученные результаты будут характерны также для явнополюсной машины [1]. При этом будем рассматривать ток возбуждения, приведенный к обмотке якоря.

Рис.3.18. Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора При Р=const активная составляющая тока const. Поэтому на векторной диаграмме рис. 3.18 конец вектора тока I скользит по прямой АВ. Если положить для простоты , то внутренняя ЭДС const и составляющая тока возбуждения , создающая результирующий поток Ф_ , также постоянна. Полный ток возбуждения легко определяется по диаграмме. Из рис. 3.18 следует, что при изменении тока возбуждения ток I и cos также изменяются, причем при некотором значении тока возбуждения величина I = I_a и cos = 1. При увеличении (режим перевозбуждения) и уменьшении тока возбуждения (режим недовозбуждения) величина тока I возрастает, так как растет его реактивная составляющая.

На рис. 3.19 представлен характер зависимостей I=f() при различных значениях Р = const. Эти зависимости по их виду называют U  образными характеристиками. Минимальное значение I для каждой кривой определяет активную составляющую тока якоря I_a и величину мощности , для которой построена данная кривая. Нижняя кривая соответствует Р = 0, причем - значение тока

Рис. 3.19. U - образныевозбуждения при E = U. Правые части кривых характеристики СМ соответствуют перевозбужденной машине и отдаче в сеть индуктивного тока и реактивной мощности, а левые части - недовозбужденной машине, отдаче в сеть емкостного тока и потреблению реактивной мощности. Кривая ОС, соединяющая точки минимального значения тока (тока I_a), соответствует условию cos = 1. Кривая ОС отклоняется вправо при увеличении мощности, так как при возрастании тока I увеличивается падение напряжения x_oaI и ЭДС Е_, что вызывает рост необходимого тока возбуждения. Кривая ОС представляет собой регулировочную характеристику машины при cos = 1, представленную на

рис. 3.13. Точка А на рис. 3.19 соответствует току холостого хода недовозбужденной машины, при этом из сети потребляется намагничивающий ток . Линия АВ представляет собой границу устойчивости, на которой =_КР. При дальнейшем увеличении тока возбуждения машина выпадает из синхронизма. U-образные характеристики генератора и двигателя практически одинаковы. Вопросы для самопроверки

1. Как устроена синхронная машина (СМ)? В чем отличие конструкции ротора явно– и неявнополюсной СМ? 2. Сколько полюсов имеет неявнополюсный ротор? 3. Изложите принцип работы СМ в режиме генератора, двигателя, компенсатора. 4. Напишите выражение для действующего значения ЭДС синхронного генератора (СГ) при холостом ходе. 5. Что такое реакция якоря?

6. В чем заключается сущность теории двух реакций?

7. Как зависит реакция якоря от характера нагрузки? Какая реакция якоря будет при активной, индуктивной, емкостной нагрузке ?

8. Какие ЭДС наводят магнитные потоки реакции якоря и какими индуктивными сопротивлениями эти ЭДС характеризуются ?

9.Начертите характеристику холостого хода (х. х. х.) СГ.

10. Начертите характеристику короткого замыкания СГ. Почему она имеет вид прямой в отличие от х. х. х.?

11. Что представляет собой параметр о. к. з.? Как он влияет на работу СМ?

12. Как влияет характер нагрузки на вид внешней и регулировочной характеристик?

13. Перечислите условия и порядок включения СГ на параллельную работу с сетью.

14. Как нагрузить СГ после включения на параллельную работу с сетью ?

15. Перечислите способы пуска синхронного двигателя (СД).

16. Поясните назначение пусковой обмотки СД.

17.Как зависит момент СД от напряжения сети?

18. Начертите угловую характеристику СД.

19. Что представляют собой U– образные характеристики?

20. Как влияет изменение тока возбуждения на коэффициент мощности?

21. Возможно ли регулирование частоты вращения СД?

22. Какая СМ называется реактивной?

23. Для какой цели применяются синхронные компенсаторы?