Синхронные машины. Синхронные машины 15 общие сведения

• Название: Синхронные машины 15 общие сведения
• Анкор: Синхронные машины.doc
• Дата: 17.01.2018
• Размер: 0.83 Mb.
• Имя файла: Синхронные машины.doc
• Тип: Документы; #14415
• страница: 2 из 7

15.8. РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
Трехфазная электрическая система большой мощности представляет собой большое число трехфазных источников и трехфазных потребителей электрической энергии, работающих параллельно. Можно считать, что частичное изменение числа источников и потребителей электрической энергии в мощной системе не влияет на режим ее работы. Поэтому действующее значение напряжения на общих шинах системы, так же как частоту, можно всегда считать постоянными величинами. На рис. 15.7 приведена эквивалентная схема замещения фазы мощной системы, содержащей источник бесконечной мощности Ė и нагрузку системы Z_н. На этом же рисунке показана эквивалентная схема замещения фазы синхронного генератора без учета активного сопротивления фазной обмотки, который подключен к общим шинам системы.

Если пренебрегать активным сопротивлением фазной обмотки, то уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора будет иметь вид:



Процессы, происходящие в синхронном генераторе, подключенном к мощной электрической системе, иллюстрирует векторная диаграмма (рис. 15.8).

Построение такой диаграммы .удобно начать с вектора напряжения на шинах мощной системы Ė = U, направив его вверх по оси ординат. Это напряжение уравновешивается частью ЭДС Ė _офазной обмотки статора, индуктируемой в ней потокосцеплением ψ₀. Прибавив в вектору Uвектор jxİ перпендикулярный İ, получим вектор Ё_о. Положение вектора потокосцепления ψ₀ на векторной диаграмме определяется тем, что он опережает индуктируемую им ЭДС Ė ₉, на угол 90°. Так как jxİ = -Ė _рас - Ė _р,я, т. е. равно сумме ЭДС, индуктируемых потокосцеплениями рассеяния и реакции якоря, то уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора (15.8) можно записать так:



Напряжение фазы синхронного генератора равно сумме ЭДС, индуктируемых в фазной обмотке тремя потокосцеплениями ψ₀, ψ_рас и ψ_р,_я. Но физически эти потокосцепления образуют одно результирующее потокосцепление с фазной обмоткой ψ = ψ₀ +ψ_рас +ψ_р,я

Следовательно, можно считать, что напряжение между выводами фазы синхронного генератора равно ЭДС, индуктируемой результирующим потокосцеплением ψ с фазной обмоткой. Это определяет направление вектора ψ, который должен опережать по фазе вектор U = Ė на 90°. Направление векторов ψ_рас. и ψ_р,я совпадает с направлением вектора İ. Углы θ сдвига фаз между векторами Ė_о и U между векторами ψ₀ и ψ равны между собой. Значение угла сдвига фаз θ принято отсчитывать от направления векторов Ė_ои ψ₀

Для синхронной машины, работающей в режиме генератора, значение этого угла всегда меньше нуля (θ < 0).

Сдвигу фаз θ между векторами потокосцеплений соответствует пространственный сдвиг на угол Ыр между осями полюсов ротора и направлением результирующего магнитного поля синхронного генератора (рис. 15.9).

Из анализа векторной диаграммы следует, что действующее значение результирующего потокосцепления с фазной обмоткой синхронного генератора, подключенного к мощной электрической системе U= const, является постоянной величиной (ψ = const) и не зависит от нагрузки.
15.9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ И УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Проанализируем зависимость электрической мощности Р и электромагнитного момента М_эмсинхронного генератора от угла θ < 0. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (см. рис. 15.8).

Электрическая мощность всех трех фаз синхронного генератора равна:



Построим на векторе Ė_о, как на гипотенузе, прямоугольный треугольник, частью катета которого будет U. Второй катет этого треугольника, противолежащий углу в,



на основании той же диаграммы Е_оcos φ₀ = Ucos φ, что дает возможность выразить электрическую мощность синхронного генератора в следующей форме:



Электромагнитный момент, создаваемый взаимодействием тока якоря с магнитным полем машины, связан с ее электрической мощностью известным простым соотношением:



где синхронная угловая скорость ротора



на основании чего



Так как напряжение Uи частота f в мощной электрической системе постоянны, то мощность и электромагнитный момент синхронного генератора при постоянном токе возбуждения зависят только от угла | θ |. Эта зависимость синусоидальна, она называется угловой характеристикой синхронного генератора (рис. 15.10); для мощности и электромагнитного момента она отличается лишь масштабом.

Угловые характеристики позволяют проанализировать процессы, происходящие в синхронном генераторе при изменении нагрузки.

Работа, совершаемая первичным двигателем, преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. При увеличении создаваемого первичным двигателем вращающего момента, М > М_д1 = М_эм1(точка 1) ротор машины вследствие сообщаемого ему ускорения увеличивает угол | θ |. После нескольких колебаний около синхронной угловой скорости равновесие вращающего момента первичного двигателя и тормозного электромагнитного момента генератора восстанавливается (М_д2 = М_эм2, точка 2) при новом значении угла | θ₂ | > | θ₁ |.

Работа синхронного генератора устойчива при изменении угла | в | в пределах 0 — π/2. Значению | θ | = π /2 соответствуют максимальная электрическая мощность



и максимальный электромагнитный момент



Значение π/2 — | θ | определяет запас устойчивости синхронного генератора.

Область значений | θ | > π/2 соответствует неустойчивой работе синхронного генератора. В этих условиях вращающий момент первичного двигателя М_Дпревышает максимальный тормозной электромагнитный момент генератора. Избыток вращающего момента (М_Д> М_эм) создает дальнейшее ускорение ротора, что обусловливает дальнейшее возрастание | е | и новое уменьшение тормозного момента и т. д., пока генератор не выпадет из синхронизма.

Чтобы восстановить запас устойчивости π/2 — | θ | синхронного генератора при увеличенной нагрузке, необходимо увеличить ток возбуждения (точка 3).

15.10. U-ОБРАЗНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Ценной особенностью синхронного генератора, подключенного к электрической системе большой мощности, является возможность регулирования его реактивного тока посредством изменения тока возбуждения. Чтобы пояснить это, обратимся к векторной диаграмме фазы синхронного генератора (см. рис. 15.8) и проанализируем ее с этой точки зрения (рис. 15.11). Если мощность синхронного генератора Р = ω_рМ_эм и напряжение на шинах электрической системы Uпостоянны, то значения произведений сомножителей в (15.10)



не зависят от тока возбуждения. Однако при изменении тока возбуждения , изменяются значения создаваемого им потокосцепления с фазной обмоткой статора ψ_oи индуктированная этим потокосцеплением в фазной обмотке ЭДС Ė₀.

Из уравнения электрического состояния фазы статора (15.8) следует, что это возможно только при соответствующем изменении тока İ = İ_а + İ _р в фазной обмотке, а именно реактивной составляющей тока İ _р.

При токах возбуждения меньше (больше) некоторого граничного значения I_в < I_в.гр (Р) (I_в > I_в._гр) ток синхронного генератора имеет емкостную I_рС (индуктивную I_pL) реактивную составляющую φ < 0 (φ > 0) (рис. 15.11). Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность генератора имеет емкостный, Q_c = 3UIp_C(индуктивный, Q_L= = 3UI_pL), характер.

Если синхронный генератор подключен к электрической системе большой мощности U= const, то его эквивалентную схему замещения можно представить в виде параллельного соединения двух источников тока: источника активной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя, /I_а (М_я), и источника реактивной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя и тока возбуждения, I_р (I_в, М_д).

В частном случае, если момент первичного двигателя равен нулю (М_д = 0), то в схеме замещения фазы синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности, источник активной составляющей тока генератора отсутствует, а ток источника реактивной составляющей зависит только от тока возбуждения I_р (I_в).

Зависимость тока статора, подключенного к системе большой мощности U= const, от тока возбуждения I (I_р) при постоянном моменте первичного двигателя М_Д = const называется U-образной характеристикой синхронного генератора (рис. 15.12). При некотором малом значении тока возбуждения угол | θ | (рис. 15.10) может превысить значение π/2 и устойчивость работы синхронного генератора нарушится. Чем больше значение активной мощности синхронного генератора, тем при больших значениях тока возбуждения наступит потеря устойчивости. На рис. 15.12 граница устойчивости синхронного генератора показана штриховой линией.

Если момент первичного двигателя равен нулю: М_л = 0, то, пренебрегая всеми видами потерь, можно считать, что ток синхронного генератора является только реактивным (рис. 15.12, Р — 0):



Ток генератора в этом случае зависит линейно от тока возбуждения. Линейность зависимости I (I_в) нарушается лишь при больших значениях тока возбуждения вследствие насыщения магнитопровода машины.
15.11. РЕГУЛИРОВАНИЕ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Активная мощность Р = 3UI_а синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности (U = const), регулируется мощностью первичного двигателя Р_мех = ω_рМ_д. При увеличении мощности первичного двигателя, т. е. вращающего момента первичного двигателя М_д (паровой или гидравлической турбины), увеличивается активная составляющая тока генератора I_а (М_д), одновременно с этим увеличивается и угол | θ |, что понижает запас устойчивости π/2 — | θ | генератора. Для того чтобы синхронный генератор не терял запаса устойчивости при увеличении активной мощности, необходимо увеличивать ток возбуждения. Промышленные синхронные генераторы электрической энергии снабжены специальной регулирующей аппаратурой, с помощью которой при изменении активной мощности генератора обеспечивается требуемый запас устойчивости.

Реактивная мощность синхронного генератора Q= 3UIsin φ, подключенного к системе большой мощности (U = const), при постоянной активной мощности Р = const регулируется изменением тока возбуждения I_в. Если значение тока возбуждения равно I_в.гр (P), то реактивная мощность синхронного генератора равна нулю. При значениях тока возбуждения I_в > I_в, _гр (I„ в, _гр) реактивная мощность синхронного генератора имеет индуктивный характер; Q_L= = 3UI_pL(емкостный характер: Q_c = 3UI_pC).

Обычно режим возбуждения синхронных генераторов соответствует индуктивной реактивной мощности, необходимой для работы асинхронных двигателей.
15.12. ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ С СИСТЕМОЙ
Включение синхронного генератора на параллельную работу с системой связано с рядом трудностей. Применяются два способа такого включения: точная синхронизация и самосинхронизация. Рассмотрим способ точной синхронизации.

При включении на параллельную работу с системой (рис. 15.13) синхронного генератора способом точной синхронизации мгновенное значение фазной ЭДС генератора, например е_А1, должно быть равно и соответствовать по направлению в любой момент времени мгновенному значению соответствующего напряжения фазы системы е_А. Из этого требования вытекают следующие условия включения: ЭДС фазы включаемого генератора должна иметь одинаковое действующее значение с фазным напряжением системы, частоту, равную частоте системы, фазу, соответствующую фазе фазного напряжения системы, наконец, чередование фаз генератора должно соответствовать чередованию фаз системы. Предварительное синхронизирование. включаемого генератора осуществляется следующим образом. Ротор генератора доводится примерно до синхронной угловой скорости, и его возбуждение регулируется так, чтобы вольтметр на выводах машины показал значение, равное напряжению сети. При этом последовательность фаз генератора должна соответствовать последовательности фаз системы. Однако перед включением на параллельную работу необходимо более точное регулирование частоты машины и в особенности ее фазной ЭДС. В качестве указателей для такого точного регулирования служат синхроноскопы. В простейшем виде сонхроноскоп составляется из ламп накаливания, часто называемых в таких случаях фазоиндикаторными лампами.

На рис. 15.13 эти лампы включены между шинами системы и одноименными (А — А₁, В — В₁, С — С₁) в отношении последовательности фаз выводами генератора («включение на потухание»).

На рис. 15.14 показаны кривые мгновенных значений фазного напряжения и_А = е_Асистемы, фазной ЭДС е_А1включаемого на параллельную работу генератора и результирующего напряжения и_АА1= — е_A— e_A1- Пока нет точного совпадения частоты генератора и системы в контуре включаемого генератора, действующее значение результирующего напряжения между контактами выключателя будет то снижаться до нуля, то повышаться до двойного значения фазного напряжения системы, в результате чего лампы будут то гаснуть, то вновь загораться. Чем больше частота генератора будет приближаться к частоте системы, тем медленнее будут происходить колебания света фазоиндикаторных ламп; они будут загораться и гаснуть на относительно длительные сроки. Нужно достичь возможно более точного совпадения частот, при котором промежутки времени между следующими друг за другом вспышками ламп будут достаточно велики (не менее 3—5 с), после чего в момент полного потухания ламп замкнуть рубильник.

Сущность метода самосинхронизации состоит в том, что генератор включается на сеть без возбуждения, когда его частота вращения отличается от синхронной на 2—3 %. Обмотка ротора (обмотка возбуждения) во время такого включения должна быть замкнута на некоторый резистор или накоротко. После включения генератора обмотка ротора подключается к источнику постоянного тока возбуждения и генератор синхронизируется под действием электромагнитных сил.

Так как в момент включения частота вращения генератора не равна синхронной и он не возбужден, то возникает скачок тока в обмотке статора; значение этого кратковременного тока может в несколько раз превышать номинальный ток генератора. Но, как показывает опыт, ни этот ток, ни возникающие при этом механические усилия на валу генератора не опасны для агрегата (турбогенератора или гидрогенератора). Метод самосинхронизации применяется для генераторов мощностью до 50 MB-А.

После включения генератора на параллельную работу с системой большой мощности при всяком случайном отклонении от синхронного вращения в обмотке статора генератора возникают дополнительные токи. Их взаимодействие с магнитным полем ротора создает дополнительные силы, восстанавливающие синхронное вращение.