Неявнополюсная машина. Понятие о статической устойчивости

Далее будем предполагать, что машина работает параллельно с сетью бесконечной мощности и поэтому , и ток возбуждения генератора не изменяется. Для простоты предположим также, что и, следовательно, и .

У неявнополюсной машины = и на основании выражения (7.4)

(7.5)

При указанных предположениях , согласно равенству (7.5), представляет собой синусоиду (рис. 7.8, а). Полуволны > 0 соответствуют генераторному режиму работы и полуволны < 0 – двигательному. Как следует из рис. 7.8, а, при беспрерывном изменении синхронная машина попеременно переходит из генераторного режима работы в двигательный и обратно. Такое изменение означает, что ротор машины вращается несинхронно – несколько быстрее или несколько медленнее поля реакции якоря. Зависимость на рис. 7.8, а при этом действительна только при бесконечно медленном изменении , когда в результате несинхронного вращения ротора в цепях индуктора не индуктируется никаких токов.

Изменение угла на величину означает, что ротор машины передвинулся относительно поля статора на два полюса. Режим работы машины при этом, как это ясно из физических соображений, равенств (7.4), (7.5) и рис. 7.8, а, не изменяется. Поэтому достаточно рассмотреть угловую характеристику в пределах . Диапазон соответствует двигательному, а диапазон генераторному режиму. Так как полупериоды синусоидальной кривой симметричны, то свойства синхронной машины в двигательном и генераторном режимах аналогичны. Поэтому ниже рассмотрим режим генератора (рис. 7.9).

Согласно рис. 7.9, при увеличении от нуля угол будет расти от и при критическом угле нагрузки достигается максимальная мощность , которую способен развить генератор. На основании выражения (7.5) для неявнополюсной машины

. (7.6)

Как видно из равенства (7.6), тем больше, чем больше или ток возбуждения машины, чем больше и чем меньше . По этой причине с целью уменьшения в синхронных машинах зазор выполняется больше, чем в асинхронных.

В установившемся режиме работы генератора механическая мощность , развиваемая первичным двигателем, равна электрической мощности , отдаваемой генератором в сеть, т. е. = . При этом под следует понимать мощность первичного двигателя за вычетом механических и магнитных потерь в генераторе (при =0 электрические потери в якоре равны нулю). Мощность не зависит от угла и поэтому изображена на рис. 7.9 горизонтальной прямой, которая пересекается с характеристикой электрической мощности в точках 1 и 2. В этих точках = , и, следовательно, обе они могли бы соответствовать нормальному установившемуся режиму работы. Однако устойчивой является только работа в точке 1.

Действительно, если при работе в точке 1 рис. 7.9 в результате небольшого случайного преходящего возмущения угол увеличится на , то электрическая мощность генератора превысит мощность первичного двигателя на . Вследствие этого на валу будет действовать избыточный тормозящий электромагнитный момент и ротор генератора

будет притормаживаться. Угол будет уменьшаться, и восстановится устойчивый установившийся режим работы в точке 1. Если при работе в точке 1 угол в результате случайного возмущения уменьшится, то при прекращении действия этого возмущения генератор также вернется в режим работы в точке 1.

Если же при работе в точке 2 рис. 7.10 угол увеличится на , то мощность генератора будет на меньше мощности турбины, ротор будет ускоряться, угол возрастет еще больше и т. д. В результате генератор выйдет из синхронизма или при благоприятных условиях перейдет в устойчивый режим работы на последующих положительных полуволнах кривой рис. 7.8, а после «проскальзывания» ротора на четное число полюсных делений. Если же при работе в точке 2 угол уменьшится, то вследствие нарушения баланса мощностей этот угол будет уменьшаться и далее, пока этот баланс не восстановится в точке 1.

Таким образом, работа неявнополюсного генератора устойчива в области 0< < 90° и неустойчива в области 90 < < 180°.

Аналогичным образом можно установить, что неявнополюсный двигатель работает устойчиво в области 0> >–90°.

Рассмотренные здесь вопросы относятся к области так называемой статической устойчивости синхронной машины.

Режим работы определенной установки называется статически устойчивым, если при наличии весьма небольших возмущений режима работы (небольшое изменение , , и т. д.) изменения режима работы (величина , и т. д.) также будут небольшими и при прекращении действия этих возмущений восстановится прежний режим работы. Из сказанного выше следует, что режим работы синхронной машины статически устойчив, если

и неустойчив, если

Невозбуждённая явнополюсная машина. Если то и так как в нормальных машинах эдс от остаточного магнитного потока пренебрежимо мала. В этом случае на основании выражения (7.4)

. (7.7)

Зависимость , согласно равенству (7.7), представляет собой синусоиду с удвоенной частотой (рис. 7.8, б).

Из равенства (7.7) и рис. 7.8, б следует, что явнополюсная машина в состоянии развивать мощность при синхронном режиме работы также без возбуждения. Устойчивая работа в режиме генератора происходит при 0< < 45°, а в режиме двигателя – при – 45° < < 0°. Пределу устойчивой работы соответствует =±45° вместо

в предыдущем случае.

В рассматриваемом случае в машине существует только поток реакции якоря. При цилиндрическом роторе (рис. 7.11, а), когда положение ротора относительно вращающегося поля реакции якоря безразлично, поэтому машина не развивает электромагнитного момента и мощности. В явнополюсной машине ротор стремится занять по отношению к вращающемуся полю положение, при котором сопротивление магнитному потоку и энергия магнитного поля минимальны. Если при этом приложенный к валу момент =0, то = 0 (рис. 7.11, б) и электромагнитный момент, действующий на ротор, также равен нулю.

При этом, согласно равенству (7.7), также = 0. Если вал нагружен внешним моментом, то положение ротора относительно поля смещается, и в машине развиваются электромагнитный момент и активная мощность (рис. 7.11, в). Так как сам ротор не намагничен, то поворот ротора относительно поля на 180° не приводит к изменению режима, как это и следует из рис. 7.8, б.

У невозбужденной явнополюсной машины электромагнитный момент развивается исключительно вследствие действия поля реакции якоря при наличии неравномерности воздушного зазора и называется поэтому реактивным.

Реактивный режим работы может возникнуть, например, в случае, когда при параллельной работе с сетью явнополюсный генератор по какой-либо причине теряет возбуждение (неисправность возбудителя, ложное срабатывание автомата гашения поля и т. д.) и был при этом слабо загружен. Последнее обстоятельство существенно потому, что предельная мощность, которую может развить генератор в этом режиме, невелика. Действительно, по формуле (7.7) в относительных единицах получим

Если и то

т. е.

Машина в этом режиме потребляет большой реактивный ток для создания магнитного поля. На холостом ходу

и, например, при и будет =0,91.

Строятся также синхронные двигатели малой мощности, лишенные обмоток возбуждения и называемые реактивными.

На рис. 7.10 изображены векторные диаграммы явнополюсной ма-шины при работе без возбуждения, причем штриховой линией показа-но направление ЭДС , которая индуктировалась бы при наличии воз- буждения. При этом на диаграммах представлены токи, отдаваемые машиной в сеть. В соответствии с этим на рис. 7.10, как и в режиме недо-возбуждения (), ток опережает напряжение

Возбужденная явнополюсная машина. В этом случае оба члена равенства (7.4) отличны от нуля и машина развивает мощность как за счет электромагнитного момента, создаваемого с участием потока возбуждения, так и за счет реактивного электромагнитного момента. На рис. 7.12 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 , значение которого определяется равенством /5/

где

.

В относительных единицах вместо 7.4 имеем

У генератора с , и =0,8 (инд.) при номинальной нагрузке (, = 1) Эдс от потока возбуждения и =22°27', что можно установить путем построения векторной диаграммы. Таким образом, в этом случае

1,7*0,382+

+0,212*0,706=0,65+0,15=0,8.

Вторая составляющая мощности в данном случае равна 19% от всей мощности. Таким образом, в нормальных режимах работы эта составляющая сравнительно мала. У генератора с приведенными данными при и критический угол нагрузки и предельная мощность т. е. примерно в два раза больше номинальной активной мощности ().

Угловая характеристика реактивной мощности. Наряду с рассмотренными выше характеристиками активной мощности представляют интерес также угловые характеристики реактивной мощности . Реактивная мощность

(7.8)

Подставив в (7.8) и из (7.3) и заменив и функциями двойного угла, получим

(7.9)

Так как косинус – функция четная, то при прочих равных условиях эта характеристика для режимов генератора и двигателя одинакова.

Кривая по формуле (7.9) для перевозбужденной синхронной машины при , , , =0,75 изображена на рис. 7.13. Из этой кривой видно, что если при =0 генератор отдает в сеть реактивную мощность, то с увеличением величина начинает падать и при некотором изменяет знак, т. е. машина начинает потреблять реактивную мощность из сети. Это является следствием того, что при и в случае увеличения активной нагрузки вектор непрерывно поворачивается против часовой стрелки и при некотором начинает опережать . Такой характер изменения следует из рассмотрения векторных диаграмм.

Рассмотренные выше выражения угловых характеристик дают правильные результаты, если в них подставляются насыщенные значения параметров. Поскольку эти значения в большинстве случаев неизвестны, то расчеты по этим выражениям часто выполняются при подстановке ненасыщенных значений параметров. При этом значения максимальной мощности получаются заниженными на 8 – 12%, а значения углов – завышенными на 8 – 15%. Значение угла при также получается завышенным.

Дата добавления: 2014-11-29