Л 4. Тема: «Синхронные машины. Работа под нагрузкой»

В синхронной машине сердечник статора собирают из изолированных листов электротехнической стали и на нем располагают трехфазную обмотку якоря. На роторе размещают обмотку возбуждения. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

§1. Основные понятия и устройство синхронной машины.

Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, в которой частота вращения ротора n₁ находится в строго постоянном отношении к частоте f₁ сети переменного тока.

,

где р – число пар полюсов машины.

Применение синхронных машин весьма широко. Машина эта обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронный генератор является основным типом генератора переменного тока, применяемым в процессе производства электроэнергии. Синхронные двигатели в отличии от двигателей других типов имеют строго постоянную частоту вращения при данной частоте, не зависящую от нагрузки.

Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3-3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений.

Рис. Синхронная машина с неподвижным якорем.

Синхронную машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором называют обращенной.

Рис. Синхронная машина с вращающимся якорем.

В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами и неявновыраженную – с неявно выраженными полюсами.

Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя (тихоходные машины) и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников.

Двух- и четырехполюсные мащины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 мин^-1, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями.

§2. Принцип действия синхронной машины.

Статор 1 синхронной машины выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, т.к. она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6.

1 – статор;

2 – ротор;

3 – обмотка якоря;

4 – обмотка возбуждения;

5 – контактные кольца;

6 – щетки.

Рис. Электромагнитная схема синхронной машины.

Рис. Схема включения синхронной машины.

При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э.д.с. Е, изменяющуюся с частотой

.

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток I_а создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

.

Из этих выражений следует, что n₁=n₂, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием м.д.с. обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э.д.с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме представляемой на рисунке, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, на статоре.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем.

При подключении обмотки статора к сети с напряжением U_с и частотой f₁ протекающий по обмотке ток создает, также как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется n₁. В результате взаимодействия этого поля с током I_в, протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме – тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличии от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращения n₁=n₂, независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки. Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:

а) ротор машины, работающий как в двигательном, так и в генераторном режимах вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n₂=n₁;

б) частота изменения э.д.с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в обмотке ротора э.д.с. не индуктируется, а ее м.д.с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.

§3. Работа синхронного генератора при холостом ходе.

3.1. Э.д.с. в обмотке якоря.

При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения. Этот поток направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах обмотки якоря э.д.с. Первая гармоника Е₀ этой э.д.с. определяется по той же формуле, что и первая гармоника э.д.с. для асинхронной машины:

,

где - число витков в фазе и обмоточный коэффициент обмотки якоря;

Ф_в – поток первой гармоники магнитного поля возбуждения.

При небольших токах возбуждения магнитный поток мал и стальные участки магнитопровода машины не насыщены, вследствие чего их магнитное сопротивление мало. В этом случае магнитный поток практически определяется только магнитным сопротивлением воздушного зазора между ротором и статором (якорем), а характеристика холостого хода Е₀=f(I_в) или в другом масштабе Ф_в= f(I_в) имеет вид прямой линии.

Рис. Характеристика холостого хода синхронного генератора.

По мере возрастания потока растет магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода. При индукции в стали более 1,7-1,8 Тл магнитное сопротивление стальных участков сильно возрастает и характеристика холостого хода становится нелинейной. Номинальный режим работы синхронного генератора приблизительно соответствует «колену» кривой характеристики холостого хода. При этом коэффициент насыщения

.

При рассмотрении работы синхронной машины в ряде случаев для облегчения математического анализа не учитывают нелинейность кривой холостого хода, заменяя ее прямой. Спрямленную характеристику проводят или как касательную к кривой холостого хода (прямая 1) или через точку в, соответствующую рассматриваемому режиму работы (например, при номинальном напряжении, прямая 2). В первом случае характеристика спрямленная соответствует работе машины при отсутствии насыщения (1). Во втором, она учитывает некоторое среднее насыщенное состояние магнитной цепи машины (2).

§4. Работа синхронного генератора под нагрузкой (на примере явнополюсной машины).

4.1. Реакция якоря.

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки статора подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени друг относительно друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n₁, равной частоте вращения ротора n₂. Следовательно, магнитные потоки якоря Ф_а и возбуждения Ф_в будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Ф_рез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. F_в обмотки возбуждения и м.д.с. F_а обмотки якоря.

Однако, в синхронной машине (в отличие от асинхронной) м.д.с. обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе.

Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле синхронной машины называется реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины м.д.с. F_в, свойств магнитной системы.

4.2. Реакция якоря в явнополюсной машине.

Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхронной машины при различных углах сдвига фаз ψ между э.д.с. Е₀ и током I_а в обмотке якоря. Этот угол определяется характером нагрузки, т.е. величинами сопротивлений R, x_L и x_c.

4.2.1. Реакция якоря при чисто активной нагрузке.

Покажем трехфазный генератор, в котором каждая фаза представлена одной катушкой.

Расположим ротор таким образом, чтобы центр полюса находился под стороной одной из фаз (пусть это фаза А). Тогда, согласно закону наведения э.д.с. в этой фазе э.д.с. Е₀ от поля полюсов будет максимальной, т.к. проводники фазы находятся в точке пространства, где индукция поля полюсов наибольшая. Но по условию отсутствует сдвиг фаз между Е₀ и I_а. Следовательно, ток в фазе А будет наибольшим.

Вращающаяся намагничивающаяся сила, созданная трехфазной обмоткой, в момент максимума тока в какой-либо фазе располагается своей осью по оси этой фазы. Следовательно, в нашем случае ось намагничивающей силы обмотки якоря F_а расположится по оси фазы А (на рисунке горизонтально). Направление вектора намагничивающей силы F_а вправо определяем, используя правило буравчика, проследив знаки э.д.с. и тока в фазе А. Поскольку намагничивающая сила обмотки возбуждения направлена по оси полюсов (на рис. вертикально вверх), видно что оси намагничивающих сил обмоток возбуждения и якоря сдвинуты на 90° электрических. Направление по оси полюсов трактуется как продольное (индекс d). Намагничивающая сила обмотки якоря, расположенная относительно намагничивающей силы обмотки возбуждения под углом 90° электрических, называется поперечной (индекс q). Следовательно, при чисто активной нагрузке =. Поперечная намагничивающая сила обмотки якоря будет ослаблять поле на набегающем и усиливать на сбегающем крае полюса.

4.2.2. Реакция якоря при чисто индуктивной и емкостной нагрузках.

При чисто индуктивной нагрузке угол ψ=90° отстающий.

Теперь, когда центр полюса ротора расположен под стороной фазы и э.д.с. Е₀ будет равен нулю, ток в этой фазе (у нас фаза А) будет максимальным позднее, и за это время ротор успеет повернуться на 90° электрических в течение времени, разделяющее максимальное и минимальное значение тока. Как видно, намагничивающая сила обмоток возбуждения и якоря будут направлены противоположно. Намагничивающая сила обмотки якоря является продольной размагничивающей: = . Таким образом, реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке влияет количественно, уменьшая поток по сравнению с его величиной при холостом ходе.

При чисто емкостной нагрузке угол ψ=90° опережающий. Теперь в момент максимального значения тока в фазе А, ось ротора отстает на 90° электрических по направлению вращения от стороны фазы А. Это означает, что оси намагничивающих сил обмоток возбуждения и якоря совпадают и реакция якоря будет продольной подмагничивающей, усиливающей магнитное поле полюсов. Результирующий поток при нагрузке увеличивается по сравнению с потоком при холостом ходе.

4.2.3. Общий случай нагрузки. Теория двух реакций.

В общем случае нагрузки угол ψ имеет промежуточное значение, т.е. 0<φ<90° электрических при отстающем токе, поскольку в составе нагрузки обычно имеются активная и индуктивная составляющие. В машинах с явно выраженными полюсами магнитная проводимость по окружности воздушного зазора не одинакова; она наибольшая по продольной оси и наименьшая по поперечной. Соответственно магнитное сопротивление по поперечной оси значительно больше магнитного сопротивления по продольной R_mq>R_md.

=F_acosφ

Характер нагрузки: ток I отстает от э.д.с. Е₀ на угол φ. На рисунке ротор дан в том положении в пространстве, при котором в определенной фазе ток I имеет максимальное значение, намагничивающая сила обмотки якоря F_а направлена по оси фазы, следовательно вправо.

Действие реакции якоря следует рассматривать по продольной и поперечным осям в отдельности. Теория двух реакций синхронной машины основана на принципе раздельного рассмотрения продольного и поперечного полей и последующего их наложения без учета влияния изменения насыщения магнитной цепи.

Намагничивающая сила обмотки якоря раскладывается на продольную и поперечные составляющие:

F_d=F_asinψ,

F_q=F_acosψ,

где F_a=.

Действие составляющей F_d сведено к случаю индуктивной нагрузки (составляющая F_d=F_asinψ является продольной намагничивающей силой реакции якоря и, действуя размагничивающе, ослабляет поле). Действие составляющей F_q сведено к случаю чисто активной нагрузки; составляющая F_q=F_acosψ является поперечной намагничивающей силой реакции якоря.

Л 5. Тема: «Параллельная работа синхронных машин»

§1. Предварительные замечания.

На современных электрических станциях, как правило, устанавливается несколько генераторов, включаемых параллельно. Объясняется это тем, что график нагрузки станции колеблется как в различные времена года, так и в течение суток; при малой нагрузке ряд генераторов может быть включен, а оставшиеся будут при этом работать с большим использованием, что улучшает к.п.д. как самих генераторов, так и в особенности приводных двигателей. Кроме того, при аварии с одним генератором выбывает из строя лишь часть мощности, а не вся мощность станции.

В крупных промышленных центрах на параллельную работу включается ряд станций, что позволяет иметь меньшую резервную мощность и более выгодно использовать установленную мощность. Особенно выгодна параллельная работа паровых и гидроэлектрических станций.

Параллельная работа синхронных генераторов требует выполнения ряда специальных условий, необходимых для безаварийного включения генераторов на параллельную работу и для устойчивой и надежной работы их при эксплуатации энергосистемы.

Существует два способа включения синхронных генераторов в сеть:

• способ точной синхронизации;
• способ самосинхронизации.

До конца 40-х г.г. главное значение имел первый способ, но в настоящее время начал широко применяться второй, имеющий ряд ценных преимуществ по сравнению с первым способом.

§2. Условия параллельного включения синхронных генераторов по способу точной синхронизации.

2.1. Условия параллельного включения однофазных генераторов.

Пусть даны два однофазных генератора, один из которых, например I, работает, а генератор II нужно включить параллельно к генератору I.

Условия параллельного включения синхронных генераторов принципиально те же, что и генераторов постоянного тока, т.е. необходимо, чтобы, во-первых, э.д.с. включаемого генератора была равна напряжению сети, в которую он включается, а во-вторых, чтобы полярность включаемого генератора соответствовала полярности сети. Но в случае синхронных генераторов э.д.с. – переменная, как по величине, так и по знаку. Поэтому приходится говорить о совпадении мгновенных значений э.д.с. генераторов, другими словами, необходимо, чтобы э.д.с. включаемого генератора II была в любой момент равна по величине, но обратна по направлению напряжению на шинах, т.е. напряжению U, работающего генератора I.

Из этого условия вытекает, что:

а) формы кривых обеих э.д.с. должны быть одинаковы

Рис. Кривые э.д.с. E_II и напряжения сети U_I в момент противофазы.

б) действующие значения э.д.с. должны быть равны

Ė_II = -Ů_I

в) частоты обоих генераторов должны быть равны

f_II = f_I

Соблюдение первого условия обеспечивается конструкцией современных синхронных машин; что же касается второго и третьего условий, то они целиком зависят от операций, производимых при включении генератора на общие шины. Поэтому ниже мы рассмотрим, что именно влечет за собой несоблюдение каждого из этих условий.

Первый случай. Пусть f_II = f_I, но E₂ ≠ U₁, например U₁ > E_II. В этом случае в замкнутом контуре, образованном обмотками статоров обоих генераторов, появится разностная э.д.с. ΔE = U₁ – E_II, вектор которой направлен в сторону вектора U₁.

Рис. Уравнительный ток при U_I>E_II.

Под действием этой э.д.с. по обмоткам статоров обоих генераторов потечет уравнительный ток I_у.

Если пренебречь активным сопротивлением обмоток статоров, то по величине

I_у = ,

где х_I и х_II – синхронные индуктивные сопротивления генераторов I и II.

По фазе вектор тока I_у отстает от ΔЕ на 90°; стало быть, он отстает на те же 90° от U₁ и опережает на 90° э.д.с. E_II. Таким образом, ток I_у является по отношению к генератору с большей э.д.с. практически индуктивным и, создавая продольно-размагничивающую м.д.с. реакции якоря, стремится уменьшить эту э.д.с. Наоборот, по отношению к генератору с меньшей э.д.с. ток I_у является емкостным и, создавая продольно-намагничивающую м.д.с. реакции якоря, стремится увеличить эту э.д.с. Таким образом, ток I_у стремится выровнять э.д.с. параллельно работающих генераторов, почему он и называется уравнительным.

Так как уравнительный ток является реактивным, то он не нагружает первичные двигатели и с этой точки зрения не представляет опасности. Кроме того, сопротивления х_I и х_II синхронных машин относительно велики, вследствие чего ток I_у не выходит за пределы номинального тока даже при относительно большой разности э.д.с. ΔЕ. Только в момент включения генератора на сеть возможен резкий бросок тока, который может создать на валу генератора опасные механические усилия.

Второй случай. Пусть U₁ = E_II, но f_II ≠ f_I. В этом случае получаются биения напряжения, т.е. сумма напряжения сети и э.д.с. приключаемого генератора бедет изменяться в пределах от 0 до 2U_I.

Биение будет происходить тем медленнее, чем ближе между собой частоты f_I и f_II. Такого рода биения напряжения вызывают соответствующие биения тока, в результате чего возможны сильные механические толчки. В самом деле, э.д.с. U_I и E_II можно себе представить в виде двух векторов, один из которых вращается с угловой скоростью ω_I = 2πf, а другой – со скоростью ω_II = 2πf_II. Вместо этого можно себе представить, что один из векторов неподвижен, а другой вращается относительно первого с разностью угловых скоростей ω_I и ω_II; при этом он может совпадать с первым, находиться с ним в противофазе или занимать промежуточное положение.

Пусть в некоторый момент времени векторы U_I и E_II расположились так, как показано на рисунке. Их геометрическая сумма даст результирующую э.д.с. ΔЕ, под влиянием которой потечет некоторый ток биений I_б, отстающий от ΔЕ по фазе почти на 90°.

Основная разница между уравнительным током I_у и током I_б состоит в том, что, как это можно видеть из диаграммы, ток I_б почти совпадает по фазе с э.д.с. E_II и находится в противофазе с напряжением U_I. Таким образом, ток I_б в рассматриваемый момент времени является активным током, который не только нагружает генераторы, но и отражается на работе приводных двигателей. В худшем случае может получится, что не только рассматриваемый генератор не выйдет в синхронизм, но могут выпасть из синхронизма и другие параллельно работающие генераторы.

Очевидно, что ля более легкого включения на сеть необходимо добиться возможно меньшей разницы в частотах. Само включение нужно производить в тот момент времени, когда сумма мгновенных значений U_I + e_II = 0. После включения на параллельную работу в сети и в приключаемом генераторе установятся одинаковые частоты благодаря так называемой «синхронизирующей силе».

Определение того момента, когда можно произвести включение на сеть, можно производить при помощи синхронизирующих фазных ламп, которые нужно присоединить к зажимам генератора и шинам сети так, как показано на рисунке.

Первый способ включения фазных ламп называется включением на потухание (на темноту), второй – на свет. Когда U_I = -e_II, то напряжение на зажимах фазных ламп в первой схеме равно нулю, и они потухают, а во второй схеме на лампах получается двойное фазное напряжение сети, и лампы ярко горят. Поэтому момент включения генератора на сеть соответствует моменту потухания ламп, присоединенных по первой схеме, и моменту полного горения – во второй.

Итак, для приключения на сеть однофазных синхронных генераторов необходимо выполнить следующие условия:

1. действующее значение э.д.с. приключаемого генератора и его частота должны быть практически равны действующему значению напряжения сети и её частоте;
2. включение должно быть произведено в тот момент времени, когда сумма U_I + e_II = 0.

Всякое нарушение этих условий нежелательно, так как оно может привести к ненормальным явлениям и даже авариям.

2.2. Условия параллельного включения трехфазных синхронных генераторов.

Выводы, полученные для однофазных генераторов, можно перенести и на трехфазные генераторы. Однако, к первоначальным двум условиям параллельного включения, которые действительны для однофазных и трехфазных генераторов, прибавляется ещё третье условие, а именно: порядок следования фаз приключаемого генератора и генератора, уже работающего, должен быть один и тот же, например А_I - B_I – C_I первого и A_II – B_II – C_II второго. Так как по выводным концам генератора нельзя судить о порядке следования фаз, то его надо проверить перед включением генератора на шины.

Для проверки правильности включения применяют фазные лампы, включаемые во все три фазы генератора. При этом различают две схемы включения этих ламп: схему на потухание а) и схему на вращение света б).

В первой схеме каждая из ламп присоединяется к двум концам одного и того же ножа рубильника, во второй – две из ламп включается накрест. В случае одинакового чередования фаз обоих генераторов – работающего и приключаемого к сети – э.д.с. этих генераторов могут быть изображены двумя звездами с одинаковым чередованием векторов (см. рис. а) и б)).

а) Диаграмма э.д.с. при правильном б) Диаграмма э.д.с. при правильном

чередовании фаз и включении ламп чередовании фаз и включении ламп

на потухание на вращение света

Для простоты можно совместить их нулевые точки и считать, что одна из звезд, например, звезда А_I - B_I – C_I – неподвижна, другая – вращается относительно первой с разностью их угловых скоростей. Если лампы включены по схеме а), то, как это следует из диаграммы а), все лампы будут одновременно загораться и одновременно потухать. Включать рубильник следует в тот момент, когда лампы потухнут, так как в этом случае напряжение между лампами будет равно нулю. Этот способ включения называют включением на потухание.

Если лампы включены по схеме б), то, как следует из диаграммы б), лампы горят с различной яркостью, причем последовательность зажигания ламп (A – B – C или A – C – B) зависит от относительной скорости вращения звезд э.д.с. и, следовательно, от относительной скорости вращения генераторов. Расположение лампы по кругу (см.рисунок), можно иметь в обоих случаях вращение света, но в одном случае это вращение происходит в одну сторону, а в другом – в другую. Включать рубильник следует в тот момент, когда лампа A_IA_II потухнет. Этот способ включения зазывается включением на вращение света.

Если чередование фаз разное, например, в одном генераторе A – B – C, а в другом A – C – B, то там, где должно быть потухание (рис. а) будет вращение света, и наоборот. Это указывает на несовпадение чередования фаз генераторов. Для устранения этого несоответствия достаточно поменять местами любые два проводника, идущие от генератора или от сети к рубильнику.

Операция параллельного включения генераторов носит ответственный характер, особенно при больших мощностях, поэтому в настоящее время широко распространены способы автоматического включения генератора на общие шины. Для включения следует добиться, возможно, медленного зажигания и потухания ламп, если синхроноскоп включен на потухание, или медленного вращения света, если включен на вращение света; а затем замкнуть рубильник в момент потухания всех ламп а) или лампы не включенной накрест б).

§3. Включение синхронных генераторов по методу самосинхронизации.

Рассмотренные выше способы включения в сеть синхронных генераторов относительно сложны, требуют большой точности и, главное, затраты времени. Поэтому в последнее время в наших энергосистемах внедряется включение синхронных генераторов в сеть по методу самосинхронизации. Сущность метода состоит в следующем: генератор приводится во вращение первичным двигателем с частотой вращения, которая может отличаться от синхронной на ± (2 – 3)%, и включается на сеть без возбуждения, причем обмотка ротора, во избежание перенапряжения в момент включения, замыкается накоротко или через некоторое сопротивление; после этого, обычно сейчас же после включения генератора на сеть, подается возбуждение, и генератор впадает в синхронизм.

Таким образом, при включении генератора по методу самосинхронизации разностная э.д.с. равна напряжению сети (ΔЕ = U_c – E_ген = U_c), а ротор генератора вращается с частотой, несколько отличающейся от синхронной частоты вращения, с которой вращается магнитное поле статора. В этих условиях в статоре наблюдается бросок тока, в несколько раз превышающий номинальный ток, а на валу генератора возникают механические усилия, но последние невелики и, как показал опыт, не представляют опасности для машины.

Так можно включать явнополюсные и неявнополюсные генераторы. Ток статора снижается до номинального значения в пределах 1 – 7.

Данный метод значительно упрощает процесс включения, легко автоматизируется и требует мало времени.

§4. Работа генератора при М=const и i_в=var на сеть с постоянным напряжением и постоянной частотой. U-образные кривые синхронного генератора.

Предположим, что в схеме (рис.1) – включение однофазных генераторов на параллельную работу – генератор I является сетью по отношению к генератору II. Так как мощность сети можно считать бесконечно большой по сравнению с мощностью отдельного генератора, то напряжение сети и её частота не зависят от режима работы генератора II, то есть U_c= const и f = const.

Для замкнутого контура, образованного генераторами I и II получаем

Ė_0I + Ė_0II = İ_IZ_I + İ_IIZ_II (1)

или

Ė_0I - İ_IZ_I = Ů_с = -(Ė_0II - İ_IIZ_II) = -Ů_г (2)

Здесь Ė_0I и Ė_0II – э.д.с., индуцируемые в генераторах I и II основным магнитным потоком; I_I и I_II – токи в генераторах I и II; Z_I и Z_II – полные сопротивления генераторов; Ů_с = Ė_0I - İ_IZ_I – напряжение сети; U_г – напряжение на зажимах генератора.

Согласно условию, напряжение U_c= const, а э.д.с. Е_0II мы можем изменять, изменяя ток возбуждения i_в. Рассмотрим два случая работы генератора в этом режиме:

а) при холостом ходе;

б) при нагрузке.

А. Генератор идет вхолостую.

В этом случае мощность Р_м =0 (электромагнитная) и, следовательно, угол между векторами э.д.с. Е₀ и напряжения U равен нулю; это значит, что при работе генератора вхолостую э.д.с. Е_0II совпадает по фазе с напряжением генератора II и находится в противофазе с напряжением сети U_c.

Отрегулируем ток возбуждения i_в генератора II так, чтобы э.д.с. Ė_0II = - Ů_с.

Тогда по формуле (2), ток İ_II=0. Ток возбуждения, соответствующий этому режиму, будем называть нормальным.

Теперь увеличим ток возбуждения относительно нормального, или, как говорят, перевозбудим генератор. Э.д.с. Ė_0II и Ů_с по-прежнему остаются в противофазе (Р_м = 0 и θ=0°), но теперь появляется разностная э.д.с. ΔЕ = Е_0II – (-U_c), вектор которой направлен в сторону Ė_0II.

Под действием этой разностной э.д.с. (ΔЕ) по генератору II начинает течь уравнительный ток I_II, отстающий от ΔЕ на 90°. Мы видим, что:

а) при перевозбуждении генератора появляется уравнительный ток, являющийся чисто индуктивным относительно напряжения сети; создавая продольную реакцию якоря, он стремится размагнитить данный регулируемый генератор (в нашем случае генератор II) и намагнитить генераторы, работающие с ним параллельно (сеть);

б) уравнительный ток, являясь чисто реактивным током (практически), не производит никакого перераспределения активной нагрузки.

Если мы уменьшим ток возбуждения относительно нормального или, как говорят, недовозбудим генератор, то все произойдет в обратном.

Таким образом:

а) при недовозбуждении генератора появляется уравнительный ток, являющийся чисто емкостным относительно регулируемого генератора и индуктивным относительно сети; создавая продольную реакцию якоря, он стремится намагнитить генератор и размагнитить сеть;

б) также как и в предыдущем случае, уравнительный ток не производит никакого перераспределения активной нагрузки.

В общем случае мы можем опустить значок «II». Так как уравнительный ток создает только продольную м.д.с. якоря, то, пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора, имеем Z = jx_d, где x_d – продольная реактивность генератора. Тогда по формуле (2)

I = -j (3)

Если считать, что х_d = const, то ток I линейно зависит от ΔЕ и, следовательно, от э.д.с. Е₀, поскольку напряжение сети U_c= const. При Е₀ = 0 имеем ; этим определяется положение на оси ординат точки а. При Е₀ = U_c ток I = 0; этим определяется положение точки в на оси абсцисс. Соединив точки а и в прямой, построим левую ветвь зависимости I = f(E₀). Правая ветвь этой зависимости строится симметрично прямой, поведенной через точку в параллельно оси ординат.

Зависимость I = f(E₀) напоминает собою латинскую букву U и на этом основании называется U-образной кривой.

Большое практическое значение имеет зависимость I=f(i_в). Пока генератор ненасыщен, э.д.с. Е₀ пропорциональна току i_в. Это имеет место, главным образом, в зоне недовозбуждения генератора, т.е. влево от точки в. Поэтому ветвь ав может представить в соответствующем масштабе зависимость I=f(i_в).

При перевозбуждении генератора (i_в>Ов) начинает все более сказываться насыщение стали; кроме того, увеличивается рассеяние основных полюсов вследствие встречного действия продольной м.д.с. реакции якоря. Поэтому зависимость I=f(i_в) вправо от точки в определяется кривой вс, тем сильнее отступающей от прямой I=f(E₀), чем больше ток i_в.

Б. U-образные кривые генератора при нагрузке (U= const, f= const, М= const, i_в=var).

Так как по формуле (2) Ů_с=-Ů_г, то на диаграмме эти напряжения изображаются двумя равными по величине.

Дата добавления: 2014-01-13