Синхронные машины

Все изложенное выше действительно также для явнополюсной машины с той лишь разницей,

Параллельная работа синхронных генераторов на сеть ограни­ченной мощности.

В ряде случаев мощность отдельного генератора составляет значительную часть мощности всех генераторов системы. В других случаях станция с несколькими генераторами соединена с мощной системой через длинную линию передачи. Хотя в этих условиях установленные выше общие положения также сохра­няются в силе, однако при этом изменение режима работы одного генератора оказывает все же заметное влияние на режим работы других генераторов.

Для выяснения особенностей параллельной работы в этих усло­виях допустим, что параллельно на общую сеть работают два гене­ратора одинаковой мощности, снабжая электроэнергией группу потребителей Если, например, увеличить одновре­менно токи возбуждения if1,  if2 этих генераторов, то напряжение U обоих генераторов и всей сети возрастет. При увеличении U в об­щем случае возрастет также реактивная мощность потребителей, например асинхронных двигателей. При эта мощность распределится поровну между обоими генераторами.

Если увеличить только то U также возрастет, но в мень­шей степени. В то же время реактивная мощность генератора Г1 увеличится, а генератора Г2 — уменьшится. При увеличении  if1 для сохранения U-= const ток  if2 другого генератора нужно уменьшить. При этом реактивная мощность генератора Г1 возрастет, а генера­тора Г2 — уменьшится.

Таким образом, в системе ограниченной мощности для повыше­ния напряжения сети необходимо увеличивать токи возбуждения всех генераторов, а для перераспределения общей реактивной мощности между отдельными генераторами при U = const нужно токи возбуждения одних генераторов увеличивать, а других — уменьшать.

Если увеличить вращающие моменты или мощности первичных двигателей всех генераторов в системе ограниченной мощности, то скорость вращения этих двигателей и частота сети будут возрастать. При этом повысится также мощность потребителей, например, в ре­зультате повышения скорости вращения асинхронных двигателей. Повышение частоты будет происходить до тех пор, пока не насту­пит баланс мощностей между первичными двигателями и потреби­телями с учетом потерь в генераторах и сети. Для сохранения I = const при увеличении мощности первичного двигателя одного генератора мощность первичного двигателя второго нужно умень­шить. При этом происходит перераспределение активных мощно­стей.

При недостатке генерируемой активной мощности в системе частота f будет падать, что нарушит нормальное энергоснабжение потребителей. При недостатке генерируемой реактивной мощности в системе (невозможность поддерживать на необходимом уровне реактивную мощность генераторов электростанций и синхронных компенсаторов во избежании перегрузок их током) напряжение системы будет падать, при определенных условиях даже катастрофически. Поэтому сохранение баланса реактивных мощностей в системе не менее важно, чем сохранение баланса активных мощностей.

Работа синхронной машины при постоянной мощности и переменном возбуждении

Изменение тока возбуждения вызы­вает изменение только реактивных составляющих тока и мощности якоря. Рассмотрим теперь зависимость величины тока I от тока возбуждения if при Р = const в случае параллельной работы ма­шины с сетью бесконечной мощности (U = const, I = const). Для простоты определим эту зависимость для неявнополюсной машины,

так как получаемые при этом результаты характерны также для явнополюсной машины, причем будем рассматривать приведенные к обмотке якоря значения тока возбуждения.

При Р = const активная составляющая тока Ia = const. Поэ­тому на векторной диаграмме рис. конец вектора I скользит по прямой АВ. Если положить для простоты, то внутрен­няя э. д. с. Е = U = const и соста­вляющая тока возбуждения i'f, соз­дающая результирующий поток Ф, также постоянна. Полный ток возбуж­дения

легко определяется по диаграмме. Конец вектора i'f находится в точ­ке О', а его начало, очевидно, также скользит по прямой АВ. На рис. сплошными линиями построена диа­грамма токов для одного значения i'f, а штриховыми линиями — несколько диаграмм для других значений i'f. Концы векторов I и начала век­торов i'f располагаются в точках /, 2, 3, 4 на прямой АВ.

Из рис. следует, что при непрерывном изменении  ток I и cos  также беспрерывно изменяются, причем при некотором значении i'f величина I мини­мальна и cos = 1, а при уве­личении  i'f  (режим перевозбуж­дения) и уменьшении  i'f (режим недовозбуждеиия) против ука­занного значения i'f величина тока I возрастает, так как растет его реактивная составляющая. Более точно зависимость I=f(i'f) можно определить путем построе­ния точных векторных диаграмм.

              На рис. представлен характер зависимостей I =- f (if) при разных значениях Р = const.

Эти зависимости по виду назы­ваются также U-образными ха­рактеристиками. Минимальное значение / для каждой кривой определяет активную составляю­щую тока якоря Ia и величину мощности

для которой построена данная кривая. Нижняя кривая соответ­ствует Р = 0, причем if0 — значение тока возбуждения при Е = U. Правые части кривых соответствуют перевозбужденной машине и отдаче в сеть индуктивного тока и реактивной мощности, а левые части — недовозбужденной машине, отдаче в сеть емкостного тока и потреблению реактивной мощности. Кривая = 0 или cos = 1 отклоняется при увеличении мощности вправо, так как вследствие падения напряжения возрастает значение е, и необходимый ток возбуждения при cos = 1. Кривая ОС на рис. в сущности является регулировочной характеристикой машины при cos = 1

Точка А на рис. соответствует холостому ходу невозбуж­денной машины. При этом из сети потребляется намагничивающий ток

Угол нагрузки возрастает при движении вдоль кривых рис. справа налево, так как, при меньших if и Е угол при Р = const увеличивается. Линия АВ представляет собой границу устойчивости, на которой = кр. При дальнейшем уменьшении if машина выпадает из синхронизма. U-образные характеристики генератора и двигателя практически не отличаются друг от друга.

Асинхронный режим невозбужденной синхронной машины

В практике эксплуатации синх­ронных машин бывают случаи, когда отдельные машины выпадают из синхронизма и их роторы начинают вращаться относительно поля якоря (статора) асинхронно, с некоторым скольжением s. Это случается вследствие перегрузки машин, значительного паде­ния напряжения в сети и потери возбуждения в результате каких-либо неисправностей в системе возбуждения или ошибочного срабатывания автомата гашения поля. Хотя невозбужденная явно-полюсная машина может развивать в синхронном режиме опреде­ленную мощность за счет реактивного момента, обычно эта мощ­ность является недостаточной для покрытия нагрузки, и поэтому явнополюсные машины при потере возбуждения чаще всего также выпадают из синхронизма.

При выпадении из синхронизма синхронная машина ведет себя подобно асинхронной, но ввиду различия конструкции ротора и наличия в общем случае тока возбуждения асинхронный режим синхронной машины имеет ряд особенностей.

Так как выпадение синхронных машин из синхронизма при ава­риях в энергосистемах происходит нередко, то выявление особен­ностей асинхронного режима и выяснение рациональных способов восстановления нормальных режимов работы имеют существенное практическое значение.

Широко применяется асинхронный пуск синхронных двигателей и компенсаторов, когда невозбужденная машина приключается к сети и ее скорость достигает почти синхронной скорости подобно асинхронному двигателю.

Асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины является более сложным, и его можно рассматривать как наложение асинхронного режима невозбужденной асинхронной машины и ре­жима установившегося короткого замыкания синхронного гене­ратора.

Рассмотрим в первую очередь установившийся асинхронный режим работы невозбужденной синхронной машины.

Схемы замещения и их параметры.

Если бы ротор синхронной машины обладал магнитной и электрической симметрией, то работа этой машины в асинхронном режиме без возбуждения ничем не отли­чалась бы от работы нормальной асинхронной машины. Однако в общем случае такой симметрии нет, и поэтому требуется самостоя­тельное рассмотрение вопроса.

Пусть обмотка статора (якоря) трехфазной синхронной машины включена в сеть. Токи якоря при этом создают вращающееся поле, перемещающееся относительно несимметричного ротора со скоростью скольжения. Для анализа явлений при несимметричном роторе разложим вращающееся относительно него поле на два пульсирую­щих поля, одно из которых действует по продольной (d), а другое — по поперечной (q} оси ротора. Эти поля пульсируют со сдвигом по фазе на 90°. Кроме того, как и у асинхронной машины, рабочий процесс синхрон­ной машины в асинхронном режиме можно привести к эквивалент­ному процессу при неподвижном роторе. Далее можно представить себе, что у такой машины с неподвижным ротором на статоре вместо трехфазной обмотки имеется эквивалентная двухфазная обмотка, причем одна фаза этой обмотки создает магнитный поток, пульсирующий по продольной оси, а другая фаза — поток, пульсирующий по поперечной оси ротора

Рис.1

причем напряжения этих фаз U и jU сдвинуты по фазе на 90°. В подобной двухфазной системе взаимная индукция между фазами отсутствует и явления по осям d и q можно рассматривать незави­симо друг от друга. В результате вместо одной схемы замещения для симметричной асинхронной машины для синхронной машины получаем две схемы замещения - одну для продольной и другую для поперечной оси.

При наличии успокоительной или пусковой обмотки (рис. 2, а и б) в схеме для продольной оси имеются две вторичные цепи, как и у двухклеточного асинхронного двигателя, а в схеме для попереч­ной оси –

Рис 2, а

Рис 2, б

одна вторичная цепь. При отсутствии указанных обмоток (рис. 2, в и г) количество вторичных цепей уменьшается на еди­ницу. На схемах рис. 2 принято rа = 0 и не учи­тываются потери в стали статора. При наличии в цепи возбуждения доба­вочного сопротивления (на­пример, сопротивления га­шения поля) его величина должна включаться в rf

В основе рассмотрения явлений согласно рис. 1 и 2 лежит представле­ние о двухфазной маши­не. Поэтому сопротивле­ния схем рис. 2 также следовало бы считать экви­валентными сопротивлени­ями двухфазной машины. Однако, чтобы избежать введения в рассмотрение

Рис 2,в

Рис 2,г

новых параметров, будем предполагать, что сопротивления, фигу­рирующие в схемах рис. 2, представляют собой параметры m-фазной машины.

Асинхронные режимы различных видов синхронных машин.

При потере возбуждения синхронные генераторы переходят в асинхрон­ный режим и их скорость вращения будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равенство между движущим моментом на валу и электромагнитным моментом машины. При этом машина будет потреблять из сети намагничивающий ток

и отдавать в сеть активную мощность.

При малых скольжениях поверхностный эффект в теле ротора турбогенератора проявляется слабо и поэтому глубина проникнове­ния токов велика. В результате активное сопротивление тела ротора мало и момент достигает весьма большой величины уже при малых скольжениях. 

Поэтому турбогенераторы способны развивать в асинхронном режиме большую мощность, причем потери в роторе малы и не представляют опасности в отношении нагрева ротора. Допустимую мощность турбогенератора в асин­хронном режиме ограничивает ток статора, величина которого из-за большого намагничивающего тока до­стигает номинального значения. В большинстве случаев при I = Iн  в турбогенераторах   Р = (0,5 - 0,7) Pн,.

Ввиду относительно благоприят­ных характеристик Ma = f (s) на электростанциях разрешается кратковременная работа (до 30 мин) турбогенераторов в асинхронном ре­жиме при условии, что потери в рото­ре и статоре не превышают потерь при номинальном режиме и потребле­ние реактивной мощности с точки зрения режима работы энергосистемы допустимо. В течение указанного вре­мени можно устранить неисправности в системе возбуждения, перевести турбогенератор на резервное возбуж­дение или перевести нагрузку на другие турбогенераторы или стан­ции. Использование возможности ра­боты турбогенераторов в асинхронном режиме позволяет увеличить надежность энергоснабжения потребителей.

Асинхронные характеристики гидрогенераторов значительно менее благоприятны. Гидрогенераторы имеют шихто­ванные полюсы, и успокоительные обмотки во многих случаях у них отсутствуют. При отсутствии успокоительной обмотки мощ­ность в асинхронном режиме развивается только за счет токов, индуктируемых в обмотке возбуждения. Активное сопротивление успокоительной обмотки велико, и в этом случае момент Ma при малых s также мал. Поэтому гидрогенераторы не могут развивать значительной мощности в асинхронном режиме, успокоительная обмотка быстро нагревается, и если восстановление возбуждения в течение 10—15 сек невозможно, то их нужно отключать от сети.