Синхронные машины

Нагрузочная характеристика

 

     Нагрузочная характеристика   определяет зависимость  U = f(i_f) при I = const, cos = const и I = const и показывает, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока возбуждения i_f при условии постоянства тока нагрузки I и cos .

Рис 1. 

     Из  числа разнообразных нагрузочных  характеристик наибольший практический интерес представляет так называемая индукционная нагрузочная характеристика (рис. 1, кривая 2), которая соответствует чисто индуктивной нагрузке генератора, когда cos = 0 (инд.).

     Обычно  она снимается для I=I_н. По схеме индукционную нагрузочную характеристику можно снимать так: с помощью РТ ступенями изменяют U на зажимах генератора и одновременно регулируют i_f так, что достигается I=const. Вместе с тем при необходимости несколько регулируют величину момента приводного двигателя так, чтобы cos = 0.

     Векторная диаграмма синхронного генератора при cos = О (инд.) изображена на рис,

 

Рис. 

     причем  принято, что r_a= 0. Из этой диаграммы видно, что в режиме индукционной характеристики существует чисто продольная размагничивающая реакция якоря

     Так как  = 90°, то в режиме индукционной характеристики и. с. возбуждения и якоря складываются алгебраически, a U_н 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 i_f 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 i_f 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 i_f 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 r_г, величина которого обычно в 3—5 раз больше сопротивления r_f самой обмотки 2. При этом ток i_f затухает с определенной скоростью, которая тем больше, чем больше r_г. Контакты 8 и в данном случае работают в довольно тяжелых условиях, так как на них возникает сильная дуга.

     Ввиду большой индуктивности цепи ток  i_f 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 k_г 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 i_f при гашении поля является свободным током, существование которого не поддерживается внешними источниками э. д. с, и напряжения. Поэтому i_f затухает по закону, определяемому дифференциальным уравнением

           

     где

             полная индуктивность обмотки возбуждения

Рис 1,а 

            

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

      Кривые  изменения i_f 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 i_f при гашении поля в успокоительной обмотке индуктируется ток i_yd изменение которого в свою очередь влияет ток i_f

      Закономерности  изменения токов определяется дифференциальными  уравнениями: 

            

     где

             

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ  РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

Включение синхронных генераторов  на параллельную работу