Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

условий приводит к появлению нежелательных уравнительных токов значительной величины. Рассмотренные условия включения генератора на параллельную работу являются идеальными. На практике возникают случаи, когда прибегают к грубой синхронизации (самосинхронизации). При таком включении невозбужденный генератор доводится до синхронной n1 или близкой к ней частоте вращения в направлении возникающего впоследствии вращающегося магнитного поля якоря. Далее генератор подключается к сети и сразу за этим подается ток в обмотку возбуждения. Генератор сам втягивается в синхронизм. Обычно это осуществляется автоматически. Такое включение сопровождается появлением толчков тока, однако они не представляют опасности для сети и генератора.

Параллельная работа генератора с сетью бесконечно большой мощности. Под сетью бесконечно большой мощности будем понимать электрическую сеть, в которой все изменения, происходящие в генераторе, на нее не влияют, т.е. ее напряжение

и частота остаются постоянными.

После выполнения условий синхронизации и включения генератора в такую сеть синхронная машина не отдает энергию в сеть и не потребляет ее из сети. В этом случае имеет место режим холостого хода. Покрытие механических потерь в машине осуществляется за счет приводного двигателя. Векторная диаграмма напряжения сети и ЭДС генератора приведена на рис. 1.28.

Если по какой-то причине увеличится вращающий момент со стороны приводного двигателя, то это приведет к тому, что ротор сдвинется по направлению вращения на угол ϑ. При этом вектор

ЭДС отклонится от вертикального положения на такой же угол. Вследствие этого появляется ЭДС (рис. 1.30), действу-

ющая по контуру генератор – сеть и имеющая частоту сети. Если принять, что активные сопротивления генератора и сети малы, то под действием ЭДС в якоре генератора возникает ток I , ограниченный

41

а от ЭДС Е&0 − на угол ψ <90˚. Машина в этом случае работает в гене-

раторном режиме и создает тормозной момент, который направлен против вращения машины. Частота вращения генератора остается постоянной, т.е. синхронной.

Если ротор замедлит по какой-либо причине свое движение, то под действием ∆E ток I будет направлен против ЭДС Е&0 и генератор перейдет в режим двигателя, при этом его момент будет совпадать с моментом вращения, и частота вращения генератора снова станет синхронной.

Пример 4. Неявнополюсный генератор, работающий параллельно с сетью, имеет номинальную мощность Sн =7000 кВ·А, номинальное

линейное напряжение U =10000В, синхронное сопротивление

хс = 4,65 Ом.

Определить ток якоря, если векторы Е&0 =U&с сдвинуты по фазе на угол 1900 , (см. рис.1.30).

Решение:

Напряжение фазы обмотки якоря

Uф =U / 3 =11000/ 3 = 6358,4B.

Угол α, рис. 1.30 , равен

α =1900 -1800 =100 .

Напряжение ∆E

∆E = 2U sin50 = 2 6358,4 0,0872 = 2217,8B.

Ток якоря по формуле (1.38)

I = ∆Е = 2217,8 = 476,9А. xc 4,65

Ток фазы якоря

Iн = S3нU = 70000003 11000 =367.8A.

Значение тока якоря в относительных единицах

Из примера следует, что уравнительный ток I значительно превышает номинальный ток Iн генератора.

42

(недовозбудим генератор). При этом ЭДС станет меньше напряжения сети, (рис. 1.31, б), а возникший ток меняет свое направление и опережает ЭДС на угол π2 , т.е. становится емкостным. Отсюда следу-

ет, что реакция якоря (п. 1.3) при перевозбуждении будет размагничивающей, а при недовозбуждении – намагничивающей.

Электромагнитная мощность и электромагнитный момент.

При увеличении нагрузки генератора, работающего параллельно с сетью, угол нагрузки ϑ увеличивается. Выясним зависимость электромагнитной мощности Pэм от угла ϑ . Для генератора электромаг-

нитная мощность равна

(

1.40)

Она получается в результате преобразования механической мощности, получаемой от приводного двигателя за вычетом механических потерь и магнитных потерь.

Электромагнитная мощность состоит из полезной активной мощности P, равной

Обратимся к упрощенной векторной диаграмме неявнополюсного генератора (рис. 1.32, а).

ОпустимРис. 1.32перпендикуляр. Векторные диаграммыАВдлянаопределенияпродолжениемощностивектора напряжения

U&. Изгенераторатреугольника: для неявнополюсногоОАВ сторона( ), дляАВявнополюсногоравна (б)

AB = E0 sinϑ.

Из треугольника АВС сторона АВ равна

AB = xc I cosϕ.

Следовательно,

синхронного индуктивного сопротивления и синуса угла нагрузки.

Пример 5. Неявнополюсный генератор, работающий параллельно с сетью, имеет номинальную активную мощность Рн =7000 кВт,

номинальное линейное напряжение Uн =11000В, синхронное сопротивление хс =8,55 Ом, ток возбуждения при холостом ходе по характеристике холостого хода I f 0 = 211A, наибольший ток возбуждения

I f = 350A.

Определить угол нагрузки ϑ .

Решение:

Номинальное напряжение фазы

45

Uфн =Uн. / 3 =11000 / 3 = 6358,4B.

Относительное значение тока возбуждения

I f * = I f I f 0 =350 211=1,66 o.e.

По универсальной характеристике, по табл. 1, для тока I f *

находим величину ЭДС с учетом насыщения в относительных единицах

E0 * =1,22.

В абсолютных единицах

Е0 = Е0 *Uфн =1,22 6358,4 = 7757,2В.

Воспользуемся формулой (1.45). Разрешим ее относительно величины sinϑ

Угол нагрузки ϑ ≈230.

Получим выражение для электромагнитной мощности явнополюсного генератора. На рис. 1.32, б приведена упрощенная векторная диаграмма генератора. Из нее следует, что электромагнитная мощность равна

При превышении угла нагрузки свыше 900 генератор выпадает из синхронизма. Выпадение из синхронизма является аварийным режимом, так как в этом случае по обмоткам якоря протекает большой ток.

В процессе работы синхронного генератора важным понятием является понятие устойчивости работы, т.е. способность генератора вернуться к исходному режиму после возникшего малого возмущения, например при случайном увеличении момента с величины Мэм1

до значения Мэм2 на валу турбины (рис. 1.33). Пусть в этом случае угол ϑн увеличится на малую величину ∆θ и новое значение угла будет ϑн + ∆ϑ. Равновесие между тормозным моментом генератора

и моментом, создаваемым турбиной, будет нарушено, так как увеличение угла вызовет увеличение электромагнитной мощности генератора. При этом возникнет избыточный момент ∆М , равный разности моментов генератора и турбины. Этот момент приведет к увеличению тормозящего момента генератора и, следовательно, к замедлению ротора, при этом угол θн + ∆ϑ будет уменьшаться, вследствие чего

вновь наступает равновесие между моментами генератора и турбины. Оно наступает не сразу, так как ротор обладает инерцией. Вслед- ствие этого угол θ уменьшается и становится меньше угла θн.

В этом случае электромагнитный момент генератора становится меньше момента приводного двигателя и ротор получает ускорение, угол θ начинает увеличиваться.

Таким образом, возникают колебания ротора, а, следовательно, и угла θ. Колебания ротора быстро затухают из-за тормозящего действия токов, наводящихся в замкнутых контурах (демпферных обмотках) ротора ввиду ускорения и замедления ротора относительно вращающегося поля якоря.

Работа генератора будет устойчивой, если положительному приращению угла ϑ соответствует положительное приращение электромагнитной мощности Рэм, т.е.

( 1.55)

Неравенство (1.55) определяет предел так называемой статической устойчивости генератора.

Переходя от приращений к дифференциалам в (1.55), запишем выражение удельной синхронизирующей мощности для неявнополюсного генератора

48

Производную dPэм dϑ называют коэффициентом синхронизиру-

ющей мощности.

Синхронизирующая мощность имеет максимальное значение при угле ϑ = 0 и уменьшается с возрастанием угла ϑ. При угле ϑ ≈π2

синхронизирующая мощность обращается в нуль. При уменьшении синхронного индуктивного сопротивления хс синхронизирующая

мощность генератора увеличивается. Это можно осуществить путем увеличения воздушного зазора машины, что однако, ведет к удорожанию машины. Чем больше величина синхронизирующей мощности, тем значительнее усилие, стремящееся вернуть ротор в исходное положение.

Аналогично можно записать выражение для коэффициента синхронизирующего момента

ражение удельной синхронизирующей мощности явнополюсного генератора

Режим работы устойчив при выполнении неравенства 0 <ϑ <ϑm .

Основным мероприятием, повышающим статическую устойчивость как нормального, так и послеаварийного режима, является применение автоматической форсировки возбуждения и увеличения при этом ЭДС Е0 .

При внезапном или резком изменении режима, как, например, включения и отключения линий, трансформаторов, нагрузки или короткого замыкания генератор должен вернуться к исходному положению равновесия или же перейти к сравнительно близкому значению основных параметров равновесия. Такое свойство синхронной машины называется динамической устойчивостью. Проявляется это явление в колебаниях (качаниях) ротора с последующим их затуханием. Явление сопровождается колебаниями угла ϑ , а также колебани-

ями электромагнитной мощности. Допустим, что до изменения режима генератор развивал момент М1 (рис. 1.34). Этому моменту со-

49