Синхронные машины

Так как = 90°, то в режиме индукционной характеристики и. с. возбуждения и якоря складываются алгебраически, a Uн и — арифметически (рис.).

Общая характеристика переходных процессов синхронных машин

При резких изменениях режима работы синхронной машины (наброс и сброс нагрузки, замыкание и размыкание электрических цепей обмоток, короткие замыкания в этих цепях и т. д.) возни­кают разнообразные переходные процессы. В современных энер­гетических системах работает совместно большое количество син­хронных машин, причем мощности отдельных машин достигают 1,5 млн. кет.

Переходные процессы, возникающие в одной машине, могут оказать большое влияние на работу других машин и всей энергосистемы в целом, поскольку в этих машинах также возникают различные переходные процессы. Интенсивные переходные про­цессы нарушают работу энергосистемы в целом и могут вызвать серьезные аварии. Подобные аварии связаны с большими убытками, так как при них возможны повреждения дорогостоящего оборудо­вания. Однако наибольшие убытки получаются в результате нару­шения энергоснабжения крупных промышленных районов, когда недовырабатывается промышленная продукция.

По указанным причинам изучение переходных процессов син­хронных машин имеет весьма большое практическое значение, так как позволяет правильно понимать эти процессы, предвидеть ха­рактер возможных аварий, принимать меры к предотвращению или ограничению действия аварий и быстрейшему устранению их последствий.

Следует отметить, что переходные процессы синхронных машин протекают весьма быстро, в течение нескольких секунд и даже долей секунды. Поэтому целенаправленные и согласованные действия эксплуатационного персонала энергетических систем в начальный и вместе с тем решающий период возникновения аварии невоз­можны. В связи с этим необходимо применять многочисленные и разнообразные средства автоматического управления и регули­рования, чтобы воздействовать на возникшие переходные процессы в нужных направлениях. Для разработки таких средств, их изго­товления, наладки и эксплуатации также необходимо изучение переходных процессов синхронной машины

Переходные процессы любого характера описываются дифферен­циальными уравнениями. Синхронные машины, как указывалось выше, имеют магнитную и электрическую несимметрию. Кроме того, обмотки якоря и индуктора связаны индуктивно и перемещаются относительно друг друга, а скорость вращения ротора в переход­ных режимах в общем случае непостоянна. В связи с этим дифферен­циальные уравнения синхронной машины имеют сложный вид. Кроме того, при совместной работе синхронных машин в энергети­ческой системе необходимо учитывать их взаимное влияние друг на друга и ряд других факторов. По этим причинам строгая мате­матическая теория переходных процессов синхронных машин весьма сложна и не укладывается в рамки данной книги..

Наиболее часто интенсивные переходные процессы в энергети­ческих системах и синхронных машинах вызываются короткими замыканиями в электрических сетях и линиях электропередачи. Такие замыкания возникают по разным причинам (повреждение и пробой изоляции, атмосферные перенапряжения, замыкание прово­дов птицами, падение опор линий передачи, обрыв проводов и т. д.).

Короткие замыкания, которые возникают при нахождении се­тей, линий передач и электрических машин под напряжением и развиваются весьма быстро, называются внезапными. Появ­ляющиеся при этом переходные процессы во многих случаях весьма опасны. Кроме того, явления, возникающие при внезапных корот­ких замыканиях, во многих отношениях характерны и для других видов переходных процессов.

Все особенности процесса внезапного короткого замыкания можно установить при рассмотрении синхронного генератора, работающего на отдельную сеть.

Гашение магнитного поля и переходные процессы в цепях индуктора

Способы гашения поля.

При внутренних коротких замыканиях в обмотке якоря синхронного генератора или на его выводах, до выключателя (рис 1), автоматическая релейная защита с помощью выключателя отключает генератор от сети. Но короткое замыкание внутри генератора этим не устраняется, ток возбужде­ния if продолжает индуктировать э. д. с. в обмотке якоря, и в ней продолжают течь большие токи короткого замыкания, которые вызывают сначала расплавление меди обмотки якоря в месте корот­кого замыкания, а затем также расплавление стали сердечника якоря. Поэтому во избежание больших повреждений генератора необхо­димо быстро довести ток возбуждения и поток генератора до нуля. Такая операция называется гашением магнитного поля.

Гашение поля возможно путем разрыва цепи возбуждения гене­ратора с помощью, например, контактов 8 (рис. 1, а). Однако это недопустимо, так как при этом, во-первых, вследствие чрез­вычайно быстрого уменьшения магнитного потока в обмотках гене­ратора индуктируются весьма большие э. д. с., способные вызвать пробой изоляции. В особенности это относится к самой обмотке возбуждения и к ее контактным кольцам, так как номинальное напряжение цепи возбуждения относительно мало (50—1000 е). Во-вторых, магнитное

Рис 1,а

поле генератора содержит значительную энергию, которая при разрыве цепи возбуждения гасится в дуге выключателя между контактами 8 Рис 1,а, в результате чего этот выключа­тель может быстро прийти в негодность.

Разрыв цепи возбуждения возбудителя также недопустим в отно­шении возникающих при этом перенапряжений в обмотке возбуж­дения возбудителя. Кроме того, он не дает желательных результа­тов, так как обмотка возбуждения генератора 2 оказывается замкнутой через якорь возбудителя 6 и ввиду большой индуктивности и небольшого активного сопротивления этой цепи ток if будет зату­хать медленно, с постоянной времени 2—10 сек. При этих усло­виях размеры повреждения генератора при внутренних коротких замыканиях оказываются большими.

В связи с изложенным проблему гашения поля приходится ре­шать компромиссным образом — путем уменьшения тока if с такой скоростью, чтобы возникающие перенапряжения были в допусти­мых пределах, а внутренние повреждения генератора были мини­мальны. Для этой цели разработаны соответствующие схемы и аппараты гашения поля.

Одна из широко применяемых схем гашения поля изображена на рис. 1, а. В этой схеме при нормальной работе контакты 8 замкнуты, а контакты 9 разомкнуты. При коротком замыкании внутри генератора релейная защита подает команду на замыкание контактов 9 и отключение контактов 8. Цепь обмотки 2 остается замкнутой через сопротивление 7 гашения поля rг, величина кото­рого обычно в 3—5 раз больше сопротивления rf самой обмотки 2. При этом ток if затухает с определенной скоростью, которая тем больше, чем больше rг. Контакты 8 и в данном случае работают в до­вольно тяжелых условиях, так как на них возникает сильная дуга.

Ввиду большой индуктивности цепи ток if в начальный момент гашения поля не изменяется, и поэтому напряжение на зажимах обмотки возбуждения в этот момент времени при схеме рис. 34-1, а

больше его значения до гашения поля

в

              раз. Отсюда следует, что большие значения kг недопустимы.

Применяет также схему рис. 1, б, в которой сопротивление гашения поля отсутствует, а дуга в результате действия электро­динамических сил выдувается с контактов 11 на решетку 12 и гасится в ней.

Рис 1,б

Рассмотрим физические закономерности при гашении поля по схеме рис. 1, а, предполагая, что внутрен­них коротких замыканий в обмотке якоря нет. Это позволит уста­новить также некоторые общие закономерности переходных про­цессов в синхронной машине.

Разнообразные переходные процессы в синхронной машине обыч­но происходят в условиях, когда ее обмотка возбуждения замкнута через якорь возбудителя, сопротивление и индуктивность которого малы по сравнению с сопротивле­нием и индуктивностью обмотки возбуждения синхронной машины. Поэтому ниже будем предполагать, что обмотка возбуждения при га­шении поля замкнута накоротко. Соотношения, получаемые при та­ком предположении, будут пригод­ны также при рассмотрении дру­гих переходных процессов синхрон­ной машины. Если в действитель­ности в цепи возбуждения имеются добавочные сопротивления, напри­мер сопротивление гашения поля, то это нетрудно учесть путем соот­ветствующего увеличения сопро­тивления обмотки возбуждения. Будем также считать, что насыще­ние магнитной цепи и величины индуктивностей постоянны.

Машина без успокоительной об­мотки при разомкнутой обмотке якоря.

В этом случае существует только один замкнутый контур тока (рис.1 а). Ток if при га­шении поля является свободным током, существование которого не поддерживается внешними источниками э. д. с, и напряжения. Поэтому if затухает по закону, определяемому дифференциальным уравнением

где

              полная индуктивность обмотки возбуждения

Рис 1,а

              величина Тdо представляет собой постоянную времени обмотки возбуждения при отсутствии в ее цепи дополнительных сопротивлений, при разомкнутой обмотке якоря и отсутствии успокои­тельной обмотки.

              Кривые изменения if изображены на рис. 2 а

Рис 2

Уравнение мощностей:

Первый член этого уравнения представляет собой мощность потерь в обмотке, а второй – равновеликую мощность, которая выделяется в этой обмотке за счет уменьшения энергии магнитного поля и покрывает мощность потерь.

Машина с успокоительной обмоткой при

разомкнутой обмотке якоря

              В этом случае по продольной оси имеются две индуктивно связанные цепи

              которым соответствует схема замещения

              При изменении тока if при гашении поля в успокоительной обмотке индуктируется ток iyd изменение которого в свою очередь влияет ток if

              Закономерности изменения токов определяется дифференциальными уравнениями:

где

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

Включение синхронных генераторов на параллельную работу

На каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть, кроме того, работает целый ряд электростанций, и поэтому парал­лельно на общую сеть работает большое число синхронных генера­торов. Благодаря этому достигается большая надежность энергоснаб­жения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера и другие выгоды.

Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться строго в такт или, как говорят, синхронно, т. е. их скорости вращения п1 n2 n3  должны быть в точности обратно пропорциональны числам пар полюсов:

В частности, скорости вращения генераторов с одинаковыми числами полюсов должны быть в точности одинаковыми.

Условия синхронизации генераторов.

При включении генераторов на параллельную работу с дру­гими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных момен­тов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.

Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом ре­жим работы генератора на холостом ходу перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется син­хронизацией генератора.

Идеальные условия для включения генератора на параллель­ную работу достигаются при соблюдении следующих требова­ний:

1) напряжение включаемого генератора Ur должно быть равно напряжению сети Uc. или уже работающего генератора;

              2) частота генератора fг должна равняться частоте сети fс,

3) чередование фаз генератора и сети должно быть одина­ково;

4) напряжения Uг и Uc должны быть в фазе.

При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью

разности напряжений между контактами выключателя при вклю­чении генератора равны:

и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается из­менением скорости вращения генератора.

Правильность чередования фаз необходимо проверять только при первом включении генератора после монтажа или  сборки схемы. Совпадение напряжений по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтмет­ров или специальных синхроноскопов, а в автоматических син­хронизаторах — с помощью специальных измерительных эле­ментов.

Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию.  Действительно, если, например, напряжения Uг и Uc. будут в момент включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении. Если генератор включается в сеть мощной энергетической системы, то сопротивление этой .сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превы­сить ток при обычном коротком замыкании в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза.