Синхронные машины

     

 
 

  машина  по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная — индуктивности.

  Синхронная  машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным компенсатором. Такие компенсаторы применяются для повышения коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сетях.

     Если, например, такой компенсатор установить в районе большой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий реактивной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических станций будут полностью или частично разгружены от этой мощности, коэффициент мощности генераторов и сети повысится, потери мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и  двигателя.

 

     Изменение тока возбуждения не вызывает появления  активной нагрузки или ее изменения. Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить движущий механический вращающий момент на ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.

     Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора, а следовательно, и вектор э. д. с. генератора забегут вперед на некоторый угол (рис. б). При этом возникнет ток I, отстающий, как и ранее, от на 90^o Но, как следует из рис. в, в данном случае

           

      и

            

     т. е. машина отдает в сеть активную мощность.

     Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э.д.с. отстанет от на некоторый угол , ток будет отставать от на угол ,при этом мощность машины

     

      т.е. машина будет работать в режиме двигателя.

 

     Как следует из рис. в и г, у генератора вектор отстает от вектора , а у двигателя — наоборот. Угол нагрузки в первом случае будем считать положительным, а во втором — отрицательным.

     Характер  магнитного поля в зазоре между статором и ротором в режимах генератора и двигателя изображен на рис. 2. У генератора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверхности статора на угол вперед, по направлению вращения ( >0), а у двигателя—против направления вращения ( <0). Угол можно назвать внутренним углом

     Рис 2.

     нагрузки. Образование электромагнитного  вращающего момента М и направление его действия согласно рис. 35-6 можно объяснить также тяжением магнитных линий.

     Преобразование  энергии в синхронных машинах  нормальной конструкции, с вращающимся  индуктором и возбудителем на общем валу, иллюстрируется энергетическими диаграммами рис. 3,

 

Рис 3.

  
 

 

где р_мх — механические потери, р_в — потери на возбуждение синхронной машины, включая потери в возбудителе, р_д — добавочные потери от высших гармоник поля в стали статора и ротора, р_мг — основные магнитные потери и р_эл — электрические потери в обмотке якоря. Для генератора Р₁ — потребляемая с вала механическая мощность и Р₂ — отдаваемая в сеть электрическая мощность, а для двигателя Р₁ — потребляемая из сети электрическая мощность и Р₂ — развиваемая на валу механическая мощность. Электромагнитная мощность Рэм передается с помощью магнитного поля с ротора на статор в режиме генератора и в обратном направлении — в режиме двигателя. Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механические потери возбудителя включаются в потери р_мх

      Весьма  важно отметить, что при изменении  движущего или тормозящего механического момента на валу синхронная машина обладает свойствами саморегулирования и способностью до известных пределов сохранять синхронизм с сетью, т. е. синхронное   вращение с другими синхронными машинами, приключенными к этой сети. Например, при приложении к валу положительного вращающего   момента М_ст„ ротор будет ускоряться и угол нагрузки будет расти от нуля (рис. б). Вместе с тем машина начинает нагружаться активной мощностью Р и развивать тормозящий электромагнитный момент М. При этом величины , Р и М будут расти до тех пор, пока не наступит равновесие моментов M_ст = М на валу. Одновременно с этим восстановится также баланс между потребляемой с вала механической мощностью, отдаваемой в сеть электрической мощностью и потерями в машине. В случае приложения к валу тормозящего момента М_ст угол будет расти по абсолютной величине также до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов на валу и баланс мощностей.

     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 i_f1,  i_f2 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  i_f1 для сохранения U-= const ток i_f2 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 i_f 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 (i_f) при разных значениях Р = const.

     

 

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

                 

     для которой построена данная кривая. Нижняя кривая соответствует Р = 0, причем i_f0 — 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 i_f и Е угол при Р = const увеличивается. Линия АВ представляет собой границу устойчивости, на которой = кр. При дальнейшем уменьшении i_f 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.