Переходные процессы в синхронных генераторах

Рис. 21-12. картина магнитного поля при внезапном к. з.

Принципиальное отличие переходных процессов от рассмотрен­ных ранее установившихся состоит в том, что при установившихся процессах работы синхронного генератора с симметричной нагрузкой в сердечнике и обмотках ротора не индуцируются никакие токи. В то же время при переходных процессах и несимметричных нагрузках между ротором и статором возникают трансформаторные связи.

Наибольший интерес представляет переходный процесс при внезапном трехфазном коротком замыкании синхронного генера­тора. Переходный процесс при резких изменениях нагрузки, след­ствием которого являются колебания синхронной машины, был рассмотрен в § 21.4.

При рассмотрении переходного процесса синхронного генера­тора пренебрегают активным сопротивлением его обмоток, т. е эти обмотки считают сверхпроводниками. Это допущение в значи­тельной степени облегчает изучение процесса, не внося заметной погрешности, особенно для крупных машин, у которых активное сопротивление обмоток весьма мало. Таким образом, прежде чем перейти к рассмотрению внезапного к. з., введем понятие о сверхпроводящем контуре, для которого по второму закону Кирхгофа можно записать .

В любой момент времени полное потокосцепление сверхпроводящего контура

(21.21)

где и , — потокосцепления, обусловленные внешнейпричиной и самоиндукцией соответственно.

Рассмотрим внезапное трехфазное к. з. синхронного генерато­ра на его зажимах. Будем считать, что предварительно этот гене­ратор работал в режиме х. х., т. е. в нем действо­вал единственный маг­нитный поток об­мотки возбуждения, в которой проходил ток . При к. з. появляется вращающийся синхрон­но с ротором магнит­ный поток статора по продольной оси (обмот­ка статора представляет собой чисто индуктив­ную нагрузку) , на­правленный против по­тока (рис. 21.12, а). При этом в обмотке возбуждения и в успокоительной обмотке будут индуцироваться дополнительные токи и , которые в соответствии с правиломЛенца препятствуют изменению результирующего магнитного потока в машине. Эти токи создают собственные магнитные пото­ки и , которые противодействуют проникновению потока в сердечник ротора, т. е. будут вытеснять его в воздушный зазор межполосного пространства. В результате поток статора зна­чительно уменьшится до значения . Соответственно уменьшится и индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси, достигнув значения . Поэтому в началь­ный момент переходного процесса, называемого сверхпереходным, действующее значение тока внезапного к з. имеет наиболь­шую величину — ударный ток короткого замыкания

, (21.22)

где — сверхпереходное индуктивное сопротивление.

Обмотки возбуждения и успокоительная все же обладают не­которым активным сопротивлением, а поэтому индуцируемые в них дополнительные токи, и будут постепенно затухать. Од­нако этот процесс затухания протекает неодинаково, так как успо­коительная обмотка и обмотка возбуждения имеют разные постоянные времени Т. Обмотка возбуждения, имея значительное число витков по сравнению с успокоительной обмоткой, обладает боль­шей индуктивностью, а поэтому .

Поэтому к моменту времени, когда дополнительный ток в успокоительной обмотке уменьшится до нуля, дополнительный ток еще имеет некоторое значение. При этом магнитный поток реакции якоря частично будет проходить через ротор, отчего его значение несколько возрастает до значения . Соответст­венно возрастает индуктивное сопротивление статора по продольной оси, достигнув значения ,называемого переходным индуктивным сопротивлением. При этом ток внезапного к. з. несколько уменьшится до значения

. (21.23)

Рис. 21.13. Осциллограммы токов при внезапном к. з.

Через некоторое время уменьшится до нуля и добавочный ток в обмотке возбуждения. При этом поток статора будет замы­каться полностью через ротор и его значение станет еще больше (). Соответственно возрастет и индуктивное сопротивление статора, достигнув значения , а ток к. з.

(21.24)

В результате в генераторе установится результирующий магнитный поток (рис. 21.12, б) .

С уменьшением магнитного потока, сцепленного с обмоткой статора, уменьшится ЭДС статора до значения , что приведет к уменьшению тока к. з. до установившегося значения

_. (21.25)

Таким образом, при внезапном трехфазном к. з. происходит постепенное затухание тока к. з. Если, например, пик тока (удар­ный ток) при внезапном к. з. достигает 15-кратного значения, то установившийся ток к. з. достигает 1,5-кратного (для турбогенера­торов) или 2,5-кратного (для гидрогенераторов) значения при токе возбуждения, соответствующем номинальной нагрузке. В некото­рых случаях ток может оказаться даже меньше номинального.Причина столь малого тока при установившемся к. з. состоит в том, что генератор размагничивается полем реакции якоря.

На рис. 21.13 представлены осциллограммы токов синхронного генератора при внезапном к. з., где отмечены три характерных участка: — сверхпереходный процесс; — переходный процесс; III — установившееся к. з.

Ударный ток к. з. создает значительные электромагнитные си­лы, действующие на обмотку статора. Особую опасность эти силы представляют для лобовых частей обмотки, что требует примене­ния специальных мер по их укреплению, особенно в турбогенераторах, где лобовые части имеют значительный вылет.

При внезапном к. з. синхронного генератора возникают также значительные электромагнитные моменты, действующие на статор и ротор. В наиболее неблагоприятных условиях мгновенное значение такого момента достигает десятикратной величины по сравнению с номинальным моментом. Это необходимо учитывать при механических расчетах некоторых деталей машины и ее крепления к фундаменту. Режим короткого замыкания нежелателен еще и потому, что он нарушает параллельную работу синхронных генераторов.

С точки зрения уменьшения ударного тока к. з. полезным является увеличение магнитного потока рассеяния обмотки статора ,так как это ведет к росту индуктивного сопротивления.Однако не следует забывать и о вредном действии магнитного потока рассеяния: уменьшении полезного магнитного потока и росте внутреннего падения напряжения (за счет увеличе­ния индуктивного сопротивления обмотки).

22. Принцип действия и устройство синхронного двигателя. Пуск синхронного двигателя. Моменты входа в синхронизм и выхода из синхронизма. Синхронный компенсатор.

Принцип действия синхронного двигателя. Так как синхронная машина обладает свойством обратимости, конструкция двигателя практически не отличается от конструкции синхронного генератора. Однако взаимодействие элементов теперь отвечает принципу действия двигателя. Электрическая активная мощность Р потребляется из сети, в результате чего по обмоткам статора протекает ток . Ток , как и в генераторе, создаёт МДС F _ст, а она – потоки Ф _d и Ф_р,я, наводящие в обмотке статора ЭДС и .

По обмотке ротора протекает ток возбуждения I _в, её МДС F _в создаёт магнитный поток ротора Ф₀. Вращаясь вместе с ротором, поток Ф₀ в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в обмотке статора ЭДС , которая направлена против напряжения сети . Сумма ЭДС с учётом падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора уравновешивает напряжение сети . Магнитные потоки Ф₀, Ф _d и Ф_р,я образуют результирующий магнитный поток двигателя Ф_рез.

Вал двигателя сцеплён с валом рабочей машины РМ (например, со шпинделем металлорежущего станка), потребляющей механическую энергию и создающей момент сопротивления М _с. В результате действия тормозящего момента М _с полюсы ротора отстают от полюсов результирующего поля статора (см. рис. 4.6). В двигательном режиме результирующий магнитный поток двигателя Ф_резявляется ведущим; вращаясь, он увлекает за собой ротор, создавая вращающий момент М двигателя, преодолевающий тормозной момент М _с механической нагрузки.