Синхронные машины

Синхронные  компенсаторы

 

     Как уже указывалось в синхронные компенсаторы предназначаются для  компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального  уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность

     В связи с этим компенсаторы, как  и служащие для этих же целей батареи  конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

     Для этого каждый синхронный компенсатор  снабжается автоматическим-регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается/постоянным.

     Синхронные  компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу.  

     Для осуществления асинхронного пуска  все синхронные компенсаторы снабжаются пусковыми обмотками в полюсных наконечниках или их полюсы делаются массивными. При этом используется способ прямого, а в необходимых случаях — способ реакторного пуска. В некоторых случаях мощные компенсаторы пускаются в ход также с помощью пусковых фазных асинхронных двигателей, укрепляемых с ними на одном валу. Для синхронизации с сетью при этом обычно используется метод самосинхронизации.

     Так как синхронные компенсаторы не развивают  активной мощности, то вопрос о статической устойчивости работы для них теряет остроту. Поэтому они изготовляются с меньшим воздушным зазором, чем генераторы и двигатели, Уменьшение зазора позволяет облегчить обмотку возбуждения и удешевить машину.

     Номинальная полная мощность синхронного компенсатора

            

     соответствует его работе с перевозбуждением. Наибольшие значения тока и мощности в недовозбужденном режиме получаются при работе в реактивном режиме с i_f = 0 и Е = 0. Если пренебречь потерями, то,

           

     полная  мощность

           

     В большинстве случаев в недовозбужденном режиме требуются меньшие мощности, чем в перевозбужденном, но в некоторых случаях необходима большая мощность. Этого можно достигнуть увеличением зазора, однако это приводит к удорожанию машины, и поэтому в последнее время ставится вопрос об использовании режима с отрицательным током возбуждения. Поскольку синхронный компенсатор по активной мощности загружен только потерями, то, согласно он может работать устойчиво также с небольшим отрицательным возбуждением.

     В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектростанций.

Работа  синхронных генераторов  при несимметричной нагрузке

 

     Обмотка статора синхронных генераторов  обычно включается в звезду, причем нулевая точка в малых машинах изолирована, а в крупных машинах с целью выполнения релейной защиты от замыкании на землю заземляется через большое сопротивление. Поэтому токи нулевой последовательности либо отсутствуют, либо весьма невелики.

     В силу этого при несимметричной нагрузке синхронных генераторов, кроме токов прямой последовательности, практически существуют только токи обратной последовательности.

     Последние вызывают в машине ряд нежелательных  явлений и делают режим работы машины тяжелым.

Потери  энергии и нагрев ротора.

 

     Токи  двойной частоты, индуктируемые  в роторе магнитным полем статора  обратной последовательности, вызывают в роторе излишние потери и его  нагрев, а также уменьшение к.п.д. машины.

     Токи, индуктируемые обратным полем в  успокоительных обмотках явнополюсных машин и в массивном роторе турбогенераторов, могут быть весьма значительными, а активные сопротивления этим токам под влиянием поверхностного эффекта будут большими.

     Поэтому при значительной несимметрии нагрузки возникает чрезмерный и опасный  нагрев успокоительных обмоток и массивных роторов.

     Высокая температура тела ротора турбогенератора  вызывает опасные деформации ротора и вероятность повреждения изоляции обмотки возбуждения. Нагрев успокоительной обмотки явнополюсной машины мало влияет на температуру обмотки возбуждения ввиду удаленности этих обмоток друг от друга и лучших условий охлаждения обмотки возбуждения явнополюсных машин.

     Токи, индуктируемые обратным полем в  обмотке возбуждения, меньше из-за большего сопротивления рассеяния этой обмотки. Поэтому в явнополюсных машинах дополнительный нагрев обмотки возбуждения при несимметричной нагрузке невелик.

Вибрация.

 

     В результате взаимодействия потока возбуждения  и потока обратной последовательности статора, а также поля прямой последовательности статора и поля токов двойной частоты ротора при несимметричной нагрузке на ротор и статор действуют знакопеременные вращающие моменты и тангенциальные силы, пульсирующие с частотой

 

      Кроме того, вследствие этих же причин возникают пульсирующие радиальные силы притяжения и отталкивания между полюсами полей статора и ротора, стремящиеся деформировать статор и ротор. Эти силы вызывают вибрацию частей машины, шум и ослабление запрессовки сердечника статора. Пульсирующие силы двойной частоты ввиду усталостных явлений могут также вредно отразиться на прочности сварных соединений, в особенности при наличии дефектов сварки. Все указанные факторы, естественно, тем сильнее, чем больше несимметрия нагрузки.

     Искажение симметрии напряжении. Токи обратной последовательности вызывают в фазах обмотки статора падения напряжения

     Z₂I₂ векторы которых ориентированы относительно напряжений прямой последовательности в разных фазах по разному.

     В результате этого симметрия напряжений генератора искажается и напряжения более загруженных фаз будут меньше. Это ухудшает условия работы приемников, в особенности асинхронных и синхронных двигателей.

     В машинах с успокоительными обмотками  и массивными роторами или полюсами Z₂ меньше, вследствие чего и искажение симметрии напряжений у них меньше. Физически это объясняется тем, что в таких машинах поток обратной последовательности статора в значительной степени заглушается токами, индуктируемыми в роторе, и поэтому этот поток индуктирует в фазах обмотки

     Высшие гармоники токов и напряжении. Как было установлено выше, ввиду неравенства сопротивлений по продольной  и поперечной осям возникает третья гармоника тока с частотой 3f₁. В особенности сильное искажение формы кривой тока происходит при несиммитричных коротких замыканиях, так как при этом сглаживающее влияние внешних индуктивных сопротивлений исчезает или ослабляется. В качестве примера на рис. изображена форма кривой тока при двухфазном коротком замыкании.

     Высшие  гармоники ток» могут вызвать  опасные резонансные явления, если в цепях обмоток статора имеются емкости (например, емкость длинных линий передачи и пр.).

     В результате резонанса напряжений на зажимах обмотки статора возникают  напряжения повышенных частот, которые  могут превысить номинальные напряжения во много раз и повредить изоляцию машины. Это является одной из причин того, что мощные гидрогенераторы, работающие на длинные линии передачи, обычно снабжаются успокоительными обмотками. При наличии успокоительных обмоток, вследствие чего в этом случае токи остаются синусоидальными и опасность указанных перенапряжений исчезает.

     Допустимая  несимметрия нагрузки ограничивается прежде всего необходимостью предотвращения опасного нагрева ротора, а также  вибрации машины.

колебания синхронных машин

 

     При колебаниях или качаниях синхронной машины ее ротор вращается неравномерно я скорость его колеблется с некоторой частотой около среднего значения. Наибольший практический интерес представляет случай, когда машина работает параллельно с мощной сетью, частоту f₁ тока которой можно считать постоянной. В этом случае колебания угловой скорости ротора происходят около синхронной угловой скорости

           

     Одновременно  с колебаниями  происходят также колебания угла нагрузки .

     Действительно, при  > _c ротор забегает вперед и угол между векторами и при работе в режиме генератора увеличивается, а при _c уменьшается.

 

     Колебания угла в свою очередь неразрывно связаны, как следует из векторных диаграмм, с колебаниями величин мощности Р и тока якоря I.

     Поэтому внешне колебания синхронной машины проявляются в колебаниях стрелок  ваттметров и амперметров. Чем больше амплитуда колебаний  и , тем больше также колебания Р и I. Если мощность сети мала, то возникают также колебания величины напряжения U.

     При ротор вращается с некоторым скольжением s относительно магнитного поля статора, и поэтому при колебаниях синхронной машины колеблется также величина s. На рис. представлены

     кривые  затухающих колебаний. Индексы 1 относятся  к исходному режиму, до начала колебаний, а индексы 2 — к последующему режиму, после затухания колебаний.

     В ряде случаев возникают весьма сильные  колебания синхронных машин, которые серьезным образом нарушают их нормальную работу, а также работу энергосистемы в целом.

     При колебаниях в синхронных машинах  происходят сложные переходные процессы, которые ниже рассматриваются лишь в основных чертах и преимущественно с физической точки зрения.

     Колебания синхронных машин бывают вынужденные и свободные.

Вынужденные колебания

 

     Вынужденные колебания синхронной машины возникают  в случаях, когда механический момент на валу непостоянен и содержит пульсирующие составляющие.

     Чаще  всего это бывает при соединении синхронных машин с поршневыми машинами (например, дизельный первичный двигатель у генератора и поршневой компрессор у двигателя).

     Вынужденные колебания становятся особенно сильными, нежелательными и опасными, когда их частота близка к частоте собственных или свободных колебаний  и поэтому возникают резонансные явления, а также когда в общую сеть включено несколько синхронных машин, имеющих вынужденные колебания с одинаковыми или кратными частотами. Например, иногда возникают затруднения при параллельной работе так называемых синхронных дизель-генераторов, первичными двигателями которых являются дизели.

     Для уменьшения вынужденных колебаний  дизель-генераторы, а часто также  двигатели поршневых компрессоров снабжаются маховиками. Маховики иногда присоединяются непосредственно к роторному колесу синхронной машины или ротор машины выполняется с повышенным маховым моментом (больший диаметр и вес). Дизель-генераторы имеют для уменьшения колебаний также успокоительные обмотки