ЛЕКЦІЯ 43

5.3.5 КОЛИВАННЯ СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Після ввімкнення на паралельну роботу з мережею синхронний генератор залишається працювати ненавантаженим, і вісь його ротора співпадає з віссю поля статора. Щоб навантажити генератор, необхідно збільшити момент привідного двигуна М₁, наприклад до значення М_н, яке відповідає повороту ротора за напрямом обертання на кут вильоту q_н, [крива 1 на (рис.5.28)]. Збільшення моменту М₁ веде до зростання кута між осями полів ротора та статора, однак, враховуючи інерційність обертових мас ротора і привідного двигуна, вісь ротора повернеться на кут q _н ' > q _н. Гальмівній електромагнітний момент, що розвиває генератор при такому куті, буде більшим, ніж М₁ (М_н' > М₁). Внаслідок порушеної рівноваги моментів, ротор генератора почне відставати за напрямом зниження кута вильоту, щоб зайняти положення q_н, але сили інерції і в цьому випадку не дозволять ротору зупинитись в положенні, що відповідає куту q_н, і переведуть його в положення q_н", в якому електромагнітний момент генератора М_н" виявиться меншим ніж обертовий момент привідного двигуна М₁. Ротор знову не залишиться в положенні q_н",а почне повертатись у бік збільшення кута вильоту q.

Таким чином, ротор синхронного генератора буде здійснювати коливальні рухи (коливання) біля значення кута вильоту q_н [крива 2 на (рис. 5.28)], що відповідає рівновазі обертового та електромагнітного (гальмівного) моментів. Якби коливання ротора не супроводжувались втратами енергії, то вони продовжувались би нескінченно довго, тобто, були б незатухаючими. Однак, в реальних умовах коливання ротора викликають втрати потужності, із яких найбільшими є магнітні втрати, зумовлені виникненням вихрових струмів в осерді ротора. Пояснюється це тим, що при відсутності коливань частота обертання ротора постійна і дорівнює частоті обертання результатного магнітного поля, а при виникненні коливань, його частота обертання стає нерівномірною, тобто, відбувається рух ротора відносно магнітного поля статора, що і призводить до виникнення в його масивному осерді вихрових струмів. Взаємодія цих струмів з результатним магнітним полем “впливає на ротор заспокійливо”, зменшуючи амплітуду його коливання. Таким чином коливання мають затухаючий характер, і тому, через деякий час, ротор займає положення, що відповідає значенню q_н, при якому наступає рівновага моментів. Причинами, які викликають коливання ротора, можуть бути або зміна обертового моменту привідного двигуна М₁, або зміна навантаження генератора, тобто електромагнітного моменту M_ем. Коливання ротора, що викликані наведеними причинами, називаються власними.

Більш детальні дослідження власних коливань синхронного генератора показують, що частота цих коливань може бути визначена, як

f₀ = , (5.55)

де р – число пар полюсів; М_синх – питомий синхронізуючий момент; J – момент інерції частин, які обертаються. Звичайно f₀ ≈(0,5 – 2) Гц.

Крім власних коливань синхронний генератор може мати вимушені коливання, пов’язані з нерівномірним обертанням ротора, наприклад у генераторів з приводом від поршневих двигунів (двигунів внутрішнього згорання, газових або парових двигунів тощо). Зовнішній момент на валу, що періодично змінюється, порушує нормальні умови роботи, і в деяких випадках, що особливо небезпечно, може привести до наближення частот власних та вимушених коливань (до резонансу коливань). При цьому амплітуда коливання різко підсилюється, так що паралельна робота стає неможливою. Для виключення можливого резонансу застосовують різні способи, наприклад змінюється частота власних коливань шляхом розміщення на валу агрегату маховика (змінюється момент інерції обертових мас J).

Втрати енергії в металевих частинах ротора проявляють гальмівну дію на рухомі частини машини і знижують їх коливання. Однак найбільш ефективним засобом проти коливань є застосування в синхронній машині заспокійливої (демпферної) обмотки (рис. 5.29). В явнополюсних машинах ця обмотка виконується у вигляді стрижнів, закладених у пази полюсних наконечників і з’єднаних з боків замикаючими кільцями (по типу “білячого колеса” ротора асинхронного двигуна).

У неявнополюсних генераторах потреби у демпферній обмотці немає, тому що вихрові струми, які створюються в осерді ротора, досить значні і швидко “заспокоюють” можливі коливання ротора.

Слід зазначити, що все викладене тут про коливання синхронного генератора точно так відноситься і до синхронного двигуна. При цьому демпферна обмотка у двигуні виконує також роль пускової обмотки при так званому асинхронному пуску.

5.3.6 РЕГУЛЮВАННЯ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ. U-ПОДІБНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Розглядаючи аспекти роботи синхронного генератора паралельно з мережею, враховувалось, що струм збудження машини залишався незмінним. Що ж буде відбуватися в синхронному генераторі, якщо після ввімкнення на паралельну роботу з мережею, змінювати струм в його обмотці збудження, залишаючи незмінним момент привідного двигуна? Після ввімкнення генератора на паралельну роботу з мережею, він продовжує роботу без навантаження і його ЕРС Е₀ урівноважує напругу мережі U_м ( E₀ = – U_м ). Якщо при цьому збільшити струм збудження (рис. 5.30), тобто перезбудити машину, то зросте її ЕРС Е₀ і в колі обмотки статора генератора виникне надмірна ЕРС D E ' = E₀ ' + U_м, вектор якої співпадає з напрямом вектора ЕРС E₀ '.

Струм I_d ', викликаний ЕРС D E ', буде відставати від неї по фазі на кут в 90 ⁰ (враховуючи, що активним опором обмотки статора можна знехтувати – R₁ » 0). По відношенню до ЕРС E₀ ' (а отже до генератора) цей струм відстаючий (індуктивний), тому викликає поздовжньо-розмагнічувальна реакцію якоря і машина розмагнічується. Що ж стосується мережі, то по відношенню до неї, цей струм випереджаючий (ємнісний), а отже мережу він “підмагнічує”, тобто в цьому випадку реактивна електрична потужність віддається до мережі. Якщо збільшувати перезбудження, то відповідно буде зростати і реактивна потужність, направлена до мережі.

Якщо ж після ввімкнення генератора до мережі, знизити струм обмотки збудження, тобто, недозбудити машину, то ЕРС Е₀ відповідно знизиться до значення Е₀ ", і в колі обмотки статора знову виникне надмірна ЕРС D E " = E₀ " + U_м. Тільки в цьому випадку її вектор буде співпадати з вектором напруги (тому що за абсолютним значенням U_м > E₀") і струм, який викличе ЕРС D E ", будучи відстаючим від неї, випереджуватиме E₀ " на 90°, тобто буде ємнісним по відношенню до генератора та індуктивним – до мережі. Цього разу реакція якоря буде поздовжньо-намагнічувальною за рахунок тієї реактивної потужності, яку споживає генератор з мережі.

Фізично ці процеси можна пояснити таким чином: при перезбудженні генератора надмірна МРС збудження F₀ = I_{з *} W_з створює в обмотці статора розмагнічувальний струм I_d', а викликана ним реакція якоря компенсує надмірну МРС генератора, урівноважуючи ЕРС і напругу мережі. Такий же процес відбувається і при недозбудженні генератора з тією лише різницею, що в обмотці статора з’являється намагнічувальний струм, який і компенсує зменшення МРС збудження, щоб знову урівняти ЕРС генератора та напругу мережі.

Якщо при всіх змінах струму збудження генератора, обертовий момент привідного двигуна М₁ залишається незмінним, то незмінною є і активна потужність генератора тобто:

Р₂ = m_{1 *} U_{м *} I_{1 *}cos j₁ = const.

З цього виразу витікає, що при U_м = const активна складова струму статора також постійна:

I_{1 *}cos j₁ = const.

Таким чином, ступінь збудження синхронного генератора впливає лише на реактивну складову

частину струму статора, а його активна частина лишається незмінною.

Залежності струму статора I₁ від струму збудження І_з з незмінним навантаженням при паралельній роботі з мережею графічно виражається U -подібними кривими. На (рис.5.31) ці криві представлені для випадків Р₂ = 0 (НХ); Р_ном > Р₂ > 0 (навантаження менше, ніж номінальне) та Р₂ = Р_ном (при номінальному навантаженні).

U -подібні криві синхронного генератора показують, що будь-якому навантаженню генератора відповідає таке значення струму збудження І_з, при якому струм статора І₁ стає мінімальним і рівним лише активній складовій частині: І_1мін = І_{1 *}cos j₁. В цьому випадку генератор працює з коефіцієнтом потужності cos j₁= 1. Значення струму збудження, що відповідає cos j₁= 1при різному навантаженні генератора, зображене на (рис. 5.31) пунктирною кривою. Деяке відхилення цієї кривої вправо (у бік збільшення струму збудження) пояснюється тим, що при зростанні навантаження зростає і падіння напруги в обмотці статора І_{1 *} X_с і, щоб його компенсувати, потрібно збільшувати ЕРС Е₀, а отже і струм І₃, тому що згідно з (5.14) та (5.13):

Е₀ = U₁ + j I_{1 *} X_c. (5.56)

Необхідно також врахувати і те, що при поступовому зниженні струму збудження настає таке його мінімальне значення, при якому магнітний потік обмотки збудження настільки ослаблений, що синхронний генератор випадає з синхронізму – порушується магнітний зв’язок між слабо збудженими полюсами ротора та обертовим полем статора. При з’єднанні всіх точок мінімально-допустимих значень струму на U -подібних кривих [лінія від точки струму І_1ном на (рис. 5.31)] можна отримати лінію межі стійкості роботи синхронного генератора при недозбудженні.

З точки зору зниження втрат генератора найбільш вигідним є збудження, що відповідає мінімальному струму статора, тобто коли cos j₁= 1. Але у більшості випадків навантаження генератора має активно-індуктивний характер і для компенсації індуктивних струмів (відстаючих по фазі від напруги мережі) доводиться дещо перезбуджувати генератор, створюючи умови, при яких струм обмотки статора І₁, випереджує по фазі напругу мережі U₁. Слід зазначити, що для збереження cos j₁ незмінним, при зміні активного навантаження генератора, необхідно одночасно змінювати і струм збудження генератора.

5.3.7 ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ В СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРАХ

Принципова різниця перехідних процесів від процесів, розглянутих раніше усталених, полягає в тому, що при усталеній роботі синхронного генератора з симетричним навантаженням, в осерді і обмотках ротора не індукуються ніякі струми. Під час перехідних процесів та при несиметричному навантаженні між обмотками ротора та статора виникають трансформаторні зв’язки.

Найбільший інтерес уявляє перехідний процес, що супроводжує раптове трифазне КЗ синхронного генератора. Процеси, що мають місце при різких змінах навантаження і супроводжуються коливаннями синхронної машини, були розглянуті раніше (див. 5.3.5).

Розглядаючи перехідний процес синхронного генератора прийнято нехтувати активним опором його обмоток, тобто ці обмотки вважаються надпровідниками. Таке допущення суттєво спрощує вивчення процесу і не вносить значної похибки в розрахунки, особливо для крупних генераторів, у яких активний опір обмоток дуже малий. Таким чином розглядається надпровідний контур, для якого за другим правилом Кірхгофа d Ψ / d t = 0. Тобто у будь-який момент часу повне потокозчеплення Ψ такого контуру

Ψ = Ψ_зовн + Ψ_L, (5.57)

де Ψ_зовн і Ψ_L – потокозчеплення, обумовлене зовнішніми причинами і самоіндукцією відповідно.

Розглянемо раптове трифазне КЗ синхронного генератора на його затискачах. Будемо вважати, що попередньо генератор працював у режимі НХ, тобто в ньому діяв тільки основний магнітний потік Ф₀,створюваний струмом І_з0ном. При КЗ появляється магнітний потік статора по повздовжній осі Ф_аd (обмотка статора уявляє собою чисте індуктивне навантаження), що обертається синхронно з ротором і направлений назустріч потоку Ф₀. При цьому в обмотці збудження та демпферній обмотці будуть індукуватися додаткові струми і_{д з} та і_{д д}, які згідно з правилом Ленца протидіють зміні результатного магнітного поля в машині. Ці струми створюють власні магнітні потоки Ф_{д з} та Ф_{д д}, що протидіють проникненню потоку Ф_аd в осердя ротора, тобто витісняють його в повітряний проміжок між полюсами (рис. 5.32, а). В результаті потік статора суттєво знижується до значення Ф_аd" < Ф_аd. Відповідно знижується і індуктивний опір обмотки статора по поздовжній осі, досягаючи значення Х_d" < Х_d. Тому на початку перехідного процесу, який називається надперехідним, діюче значення струму раптового КЗ набуває найбільшої величини, що називається ударний струм КЗ

І_{к уд} = Е₀ / Х_d", (5.58)

де Х_d" – надперехідний індуктивний опір.

Обмотки збудження та демпферна все ж мають деякий активний опір, а тому додаткові струми і_{д з} та і_{д д}, що в них індукуються, поступово згасають. Однак процес згасання протікає неоднаково, тому що демпферна обмотка і обмотка збудження мають різні постійні часу Т. Так обмотка збудження, маючи більшу індуктивність у порівнянні з демпферною, має і більшу постійну Т_з > Т_д.

Тому в момент часу, коли додатковий струм і_{д д} в демпферній обмотці знизиться до нуля, додатковий струм і_{д з} обмотки збудження ще має деяке значення. При цьому магнітний потік реакції якоря частково проходить через ротор, від чого його значення дещо зростає до величини Ф_аd' > Ф_аd", а отже зростає і індуктивний опір обмотки статора по поздовжній осі, досягаючи значення Х_d' > Х_d", що називається перехідним індуктивним опором. Відповідно знижується і струм раптового КЗ до значення

І_к' = Е₀ / Х_d'. (5.59)

Через деякий час знизиться до нуля і додатковий струм в обмотці збудження і_{д з}, а тому потік статора буде повністю замикатися через осердя ротора і його значення зросте ще більше (Ф_аd > Ф_аd'). Відповідно зросте і індуктивний опір обмотки статора, досягнувши значення Х_d > Х_d', а струм раптового КЗ І_к

І_к = Е₀ / Х_d. (5.60)

Тепер у генераторі встановиться результатний магнітний потік (рис. 5.32, б) Ф_к = Ф₀ – Ф_аd, що призведе до зниження наведеної в обмотці статора ЕРС Е_к < Е₀ і відповідно до зменшення усталеного струму КЗ

І_{к уст} = Е_к / Х_d. (5.61)

Таким чином, при раптовому КЗ в синхронному генераторі відбувається поступове затухання струму КЗ. Якщо, наприклад, пік струму (ударний струм КЗ) при раптовому КЗ досягає 15-кратного значення, то усталений струм КЗ перевищує номінальне значення струму в 1,5 (для турбогенераторів) та 2,5 (для гідрогенераторів) рази при струмі збудження, що відповідає номінальному навантаженню. В деяких випадках струм І_{к уст} може бути навіть меншим за номінальне значення. Причина такого незначного струму при усталеному КЗ – поздовжньо-розмагнічувальна реакція якоря.

Ударний струм КЗ викликає значні електромагнітні сили, що діють на лобові частини обмотки статора, тому вони потребують підсиленого кріплення. Крім цього раптове КЗ викликає значні електромагнітні моменти, які діють на ротор і статор, що потребує механічного підсилення їх деталей та кріплення до фундаменту. Режими раптових КЗ небажані ще й тому, що негативно впливають на паралельну роботу синхронних генераторів.

З точки зору зниження ударного струму КЗ корисним є збільшення потоку розсіяння обмотки статора Ф_σ, так як при цьому зростає індуктивний опір Х_d, але значний потік розсіювання веде до зниження корисного магнітного потоку і зростанню внутрішнього падіння напруги (за рахунок росту індуктивного опору обмотки статора).

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– робота синхронних машин найчастіше супроводжується затухаючими коливаннями ротора відносно кута навантаження;

– для пришвидшення затухання коливань явнополюсної машини використовується демпферна обмотка;

– регулювання реактивної потужності синхронної машини здійснюється зміною струму збудження при незмінному моменті, що обертає машину;

Дата добавления: 2015-07-14