Асинхронный режим невозбужденной синхронной машины

Предварительные замечания. 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.

При выпадении из синхронизма синхронная машина ведет себя подобно асинхронной, но ввиду различия конструкции ротора и наличия в общем случае тока возбуждения асинхронный режим синхронной машины имеет ряд особенностей.

Так как выпадение синхронных машин из синхронизма при авариях в энергосистемах происходит нередко, то выявление особенностей асинхронного режима и выяснение рациональных способов восстановления нормальных режимов работы имеют существенное практическое значение.

Широко применяется асинхронный пуск синхронных двигателей и компенсаторов, когда невозбужденная машина приключается к сети и ее скорость достигает почти синхронной скорости подобно асинхронному двигателю.

Асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины является более сложным, и его можно рассматривать как наложение асинхронного режима невозбужденной асинхронной машины и режима установившегося короткого замыкания синхронного генератора.

Рассмотрим в первую очередь установившийся асинхронный режим работы невозбужденной синхронной машины.

Схемы замещения и их параметры. Если бы ротор синхронной машины обладал магнитной и электрической симметрией, то работа этой машины в асинхронном режиме без возбуждения ничем не отличалась бы от работы нормальной асинхронной машины. Однако в общем случае такой симметрии нет, и поэтому требуется самостоятельное рассмотрение вопроса.

Пусть обмотка статора (якоря) трехфазной синхронной машины включена в сеть. Токи якоря при этом создают вращающееся поле, перемещающееся относительно несимметричного ротора со скоростью скольжения. Для анализа явлений при несимметричном роторе разложим вращающееся относительно него поле на два пульсирующих поля (см. § 22-2), одно из которых действует по продольной (d), а другое — по поперечной (q) оси ротора. Эти поля пульсируют со сдвигом по фазе на 90°, и частота их пульсации f₂ = sf_t. Кроме того, как и у асинхронной машины (см. § 24-2), рабочий процесс синхронной машины в асинхронном режиме можно привести к эквивалентному процессу при неподвижном роторе. Далее можно представить себе, что у такой машины с неподвижным ротором на статоре вместо трехфазной обмотки имеется эквивалентная двухфазная обмотка, причем одна фаза этой обмотки создает магнитный поток, пульсирую-

Рис. 36-1. Схема эквивалентной двухфазной синхронной машины при асинхронном режиме с заторможенным ротором

щий по продольной оси, а другая фаза — поток, пульсирующий по поперечной оси ротора (рис. 36-1), причем напряжения этих фаз U и jU сдвинуты по фазе на 90°. В подобной двухфазной системе взаимная индукция между фазами отсутствует и явления по осям d и q можно рассматривать независимо друг от друга. В результате вместо одной схемы замещения для симметричной асинхронной машины для синхронной машины получаем две схемы замещения (рис. 36-2) — одну для продольной и другую для поперечной оси.

При наличии успокоительной или пусковой обмотки (рис. 36-2, а и б) в схеме для продольной оси имеются две вторичные цепи, как и у двухклеточного асинхронного двигателя, а в схеме для поперечной оси — одна вторичная цепь. При отсутствии указанных обмоток (рис. 36-2, в и г) количество вторичных цепей уменьшается на единицу. На схемах рис. 36-2 принято г_а = 0 и не учитываются потери в стали статора. При наличии в цепи возбуждения добавочного сопротивления (например, сопротивления гашения поля) его величина должна включаться в r_f. В основе рассмотрения явлений согласно рис. 36-1 и 36-2 лежит представление о двухфазной машине. Поэтому сопротивления схем рис. 36-2 также следовало бы считать эквивалентными сопротивлениями двухфазной машины. Однако, чтобы избежать введения в рассмотрение новых параметров, будем предполагать, что сопротивления, фигурирующие в схемах рис. 36-2, представляют собой параметры /л-фаз-ной машины, которые определены и использованы в предыдущих

Рис. 36-2. Схемы замещения синхронной машины в асинхронном режиме при наличии (а, б) и отсутствии (в, г) успокоительной об-мртки: а, в — по продольной оси; б, г — по поперечной оси

главах. Вместе с тем будем считать также, что приложенные к двухфазной обмотке (рис. 36-1) и схемам рис. 36-2 напряжения U являются фазными напряжениями реальной m-фазной обмотки (обычно т = 3). При этом токи I_ds, I_qs будут соответствовать токам /л-фазной обмотки. Например, если в определенный момент времени ось одной из фаз обмотки якоря будет совпадать с осью d,

Рис. 36-3. Эквивалентные сопротивления явнополюсной синхронной машины при асинхронном режиме по продольной (а) и поперечной (б) осям

то в этой фазе будет протекать ток I_ds. To обстоятельство, что анализ явлений на основе рис. 36-1 и 36-2 связывается с представлением о двухфазной машине, a U, I и Z соответствуют фазам /п-фазной машины, учитывается надлежащим образом ниже при вычислении моментов и мощностей.

Сопротивления синхронной машины по осям d и q в асинхронном режиме Z_ds, Z_qs представляют собой сопротивления схем рис. 36-2 и являются функциями скольжения s.

При s 5= 1 для определения модулей сопротивлений Z_ds, Z_qs обычно можно положить r_f = r_yd = r_yq = 0, и тогда вместо схем

рис. 36-2 получим схемы рис. 34-9. Следовательно, при s ^ 1 в случае наличия успокоительной обмотки z_ds «x"d, z_qs m x_q, а при ее отсутствии z_is «x'd, Zq_S ж х'д = x_q. Из рис. 36-2 следует, что при s = 0 имеем z_ds = x_d и z_qs = x_q. В качестве иллюстрации на рис. 36-3 для машины большой мощности, имеющей успокоительную обмотку, изображены геометрические места концов векторов комплексных сопротивлений

и указаны также значения скольжения s. Этот рисунок соответствует машине со следующими значениями параметров в относительных единицах х_па* =0,41; x_aq* = 0,23, х_аа* = 0,09, x_afif = 0,14, x_aydi): = = 0,11, д:_ау„= 0,09, x_d* = 0,5, /_dHC = 0,20, x"_ds, = 0,143, д;,,* =дг^ = ^=0,32, x_qif = 0,155, r^= 0,00032, r_yrfH! = 0,01; _y r_yqjf =0,0075. Из рис 36-3 следует, что в крупной машине уже при s = 0,1 -г- 0,2 будет z_ds «^ и z_qs «xj.

Согласно рис. 36-3, б, конец вектора комплексного сопротивления Z_qs перемещается по окружности, которая соответствует окружности тока круговой диаграммы асинхронной машины с одной вторичной цепью. Кривая на рис. 36-3, а состоит из отрезков двух окружностей, соответствующих окружностям геометрического места токов двухклеточной асинхронной машины для ббластей нормальных рабочих режимов и пуска.

Величины токов и вращающих моментов. В соответствии с изложенным и рис. 36-1 и 36-2 продольный и поперечный токи якоря при асинхронном режиме

Токи /j и /₂ создают н. с. и магнитные поля прямой и обратной последовательности, вращающиеся относительно ротора соответ-

ственно со скоростями s«_x и — sn_u где п_г — синхронная скорость, а относительно статора — со скоростями

Так как н. с. токов /₂ статора вращается относительно статора же со скоростью п_ас, которая отличается в (1—2s) раз от синхронной скорости, то частота тока /₂ в обмотках статора

в то время как основная частота токов 1± равна /_1с = f_v Таким образом, токи обмоток статора имеют составляющие разных частот, т. е. они несинусоидальны. Это вполне естественно, так как вследствие вращения несимметричного ротора относительно неподвижных фаз обмотки статора эквивалентные сопротивления этих фаз с учетом влияния ротора непостоянны, и поэтому при приложении синусоидальных напряжений U токи будут несинусоидальны.

Отметим, что частота токов /₂ равна основной частоте при s = 1 и s = 0. В первом случае ротор неподвижен, и поэтому сопротивления фаз хотя и различны, но постоянны по величине, в результате чего токи фаз не равны по величине, но синусоидальны. Во втором случае (синхронный режим), согласно схемам рис. 36-2, Z_ds — = jx_d и Z_gs = jx_q, так как вторичные цепи этих схем разомкнуты, При этом I_ds и /_gs равны продольной l_d и поперечной l_q составляющим тока якоря / (см. гл. 33).

Полученные здесь результаты вполне соответствуют рассмотренному в § 29:8 режиму работы асинхронного двигателя с несимметричным ротором, и к этому последнему случаю применимь§ также все рассматриваемые здесь количественные соотношения, В обоих случаях вследствие несимметрии ротора возникает такж< обратновращающееся относительно ротора поле токов /_а и токи частоты

Так как мы пренебрегли потерями в статоре, то мощность Р_и соответствующая токам 1_Ъ полностью передается на ротор, является электромагнитной мощностью и создает вращающий момент М\ Эта мощность в m-фазной машине

При г_а Ф 0 в области s та 0,5 возникает провал результирующего момента М_я (см. § 29-8 и рис. 29-16). При г_а = 0 также М₂ = 0 и, согласно равенству (36-12), М„ = М_х.

Если машина имеет полную успокоительную или пусковую обмотку, массивный ротор или массивные полюсы с междуполюсными перемычками, то параметры машины по разным осям при скольжениях | s | 5г 0,05 близки друг к другу: Z_ds ж Z_qs и 4» ^ (см. табл. 32-1 и рис. 36-3). В этих случаях на основании выражений (36-2), (36-3) и (36-10) I_ds fa I_qs и /₂ fa 0. Асинхронный режим поэтому является почти симметричным, М₂» 0 [см. равенство (36-11)] и одноосный эффект практически не проявляется. Вследствие этого в рассматриваемом случае можно положить г„«0и вычислять токи и момент по равенствам (36-2), (36-3) и (36-9). При отсутствии успокоительной или пусковой обмотки и при шихтованном роторе сопротивления Z_ds и Z_?, отличаются друг от друга значительно. Поэтому в этом случае одноосный эффект проявляется сильно и необходимо пользоваться выражениями (36-10) — (36-12).

Рассмотренные вращающие моменты имеют при s = const неизменные величины и знаки. Кроме этих моментов, при Z_ds Ф Z_qs в результате взаимодействия вращающихся относительно друг друга прямого и обратного полей возникает знакопеременный момент, пульсирующий с частотой 2s/₂. При большой частоте пульсации этот момент не оказывает никакого влияния на движение ротора, но при — 0,02 < s < 0,02 ротор попеременно ускоряется и замедляется и его скорость вращения будет колебаться. При s = 0 этот момент превращается из пульсирующего в постоянный- и представляет собой реактивный момент, соответствующий последнему члену равенства (35-4).

Асинхронные режимы различных видов синхронных машин. При потере возбуждения синхронные генераторы переходят в асинхронный режим и их скорость вращения будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равенство между движущим моментом на валу и электромагнитным моментом машины. При этом машина буДет потреблять из сети намагничивающий ток

и отдавать в сеть активную мощность.

У турбогенераторов x_d% = x_q% = 1,2 -s- 2,2, поэтому /_м < /_н и обычно /_м = (0,40 -г- 0,65)/_н. У мощных гидрогенераторов, наоборот, /_м > /„. У синхронных генераторов наибольший практический интерес представляет начальная часть механической характеристики Ма = / (s) (см. рис. 36-4, где отложены абсолютные значения М_а# и s, так как в режиме генератора М_л < 0 и s < 0).

При малых скольжениях поверхностный эффект в теле ротора турбогенератора проявляется слабо и поэтому глубина проникновения токов велика. В результате активное сопротивление тела ротора мало и момент достигает весьма большой величины уже при малых скольжениях (рис. 36-4). Поэтому турбогенераторы способны раавивать в асинхронном режиме большую мощность, причем потери в роторе р_эл2 = sP_3M малы и не представляют опасности в отношении нагрева ротора. Допустимую мощность турбогенератора в асинхронном режиме ограничивает ток статора, величина которого из-за большого намагничивающего тока достигает номинального значения при Р •< Р_я. В большинстве случаев при / = /_н в турбогенераторах Р = = (0,5 +- 0,7) Р_н.

Ввиду относительно благоприятных характеристик М_а = / (s) на электростанциях СССР разрешается кратковременная работа (до 30 мин) турбогенераторов в асинхронном режиме при условии, что потери в роторе и статоре не превышают потерь при номинальном режиме и потребление реактивной мощности с точки зрения режима работы энергосистемы допустимо. В течение указанного времени можно устранить неисправности в системе возбуждения, перевести турбогенератор на резервное возбуждение или перевести нагрузку на другие турбогенераторы или станции. Использование возможности работы турбогенераторов в асинхронном режиме позволяет увеличить надежность энергоснабжения потребителей.

Асинхронные характеристики гидрогенераторов значительно менее благоприятны (рис. 36-4). Гидрогенераторы имеют шихтованные полюсы, и успокоительные обмотки во многих случаях у них отсутствуют. При отсутствии успокоительной обмотки мощность в асинхронном режиме развивается только за счет токов, индуктируемых в обмотке возбуждения. Активное сопротивление успокоительной обмотки велико, и в этом случае момент М_а при малых s также мал. Поэтому гидрогенераторы не могут развивать значительной мощности в асинхронном режиме, успокоительная обмотка быстро нагревается, и если восстановление возбуждения в течение 10—15 сек невозможно, то их нужно отключать от сети.

Рис. 36-4. Зависимость асинхронного вращающего момента синхронного генератора от скольжения при замкнутой накоротко обмотке возбуждения

/ — турбогенератор; 2 — гидрогенератор без успокоительной обмотки; 3 — гидрогенератор с успокоительной обмоткой

Все синхронные двигатели имеют пусковые обмотки и обычно пускаются в ход как асинхронные двигатели, причем обмотка возбуждения замкнута через разрядное, или гасительное, сопротивление г_г = (5 -г- 10) r_f или замкнута накоротко. Пуск с разомкнутой обмоткой возбуждения недопустим, так как при этом может произойти повреждение ее изоляции. Скольжение невозбужденного двигателя изменяется при пуске от s = 1 до s «0,05, когда вклю-

0,2 0,4

Рис 36-5 Кривые асинхронных вращающих моментов М_а = f (s)

синхронного двигателя мощностью 1250 кв-а и п_н = 750 об/мин при

замыкании обмотки возбуждения а — через разрядное сопротивление

г_г = 9rf и б — накоротко

/ — момент обмотки возбуждения, 2 — момент от пусковрй обмотки, 3 — полный момент

чается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм (см. § 36-2).

Кривые М_а = / (s) синхронных двигателей представлены на рис. 36-5. Момент, развиваемый обмоткой возбуждения, достигает максимального значения при малых скольжениях, в особенности, когда г_г = 0, так как r_f мало, а х_а{ относительно велико. Наоборот^ момент, развиваемый пусковой обмоткой, достигает максимума прн s «0,3 -г- 0,4, так как активное сопротивление этой обмотки значительно больше и рассеяние меньше. При расчете кривых рис. 36-5 было принято, что сопротивление обмотки якоря г_а — 0. Поэтому на этих кривых не отражено возникновение провала момента при s л; 0,5 вследствие одноосного эффекта. Следует, однако, отметить, что при наличии пусковой обмотки на роторе этот эффект прояв> ляется слабо.

Начальный пусковой момент (s = I) синхронных двигателей при U = U_n должен быть достаточно велик: М_п 5^ (0,8 -*■ 1,0) М_н. С другой стороны, при малых s момент М_а также должен быть достаточно велик, так как в противном случае при пуске под нагрузкой двигатель в асинхронном режиме не сможет достичь скорости вращения, достаточно близкой к синхронной, и двигатель после включения тока возбуждения не втянется в синхронизм. Крутизну характеристики М_Л — f (s) при малых s принято определять значением М„ при s = 0,05, и эту величину момента условно называют входным моментом М _м. Очевидно, что чем больше М_вх, тем лучше условия втягивания в синхронизм. Обычно требуется, чтобы М_вх «та М_п. Однако для увеличения М_п необходимо увеличить активное сопротивление пусковой обмотки, а для увеличения М_ю — уменьшить его. Поэтому вопрос о выборе величин М_я% и М_п надо решать компромиссным образом и использовать явление вытеснения тока в пусковой обмотке для увеличения М_а (см. гл. 27). Стержни пусковой обмотки, с целью увеличения их сечения и теплоемкости изготовляются из латуни.

Как видно из рис. 36-5, при пуске без разрядного сопротивления (рис. 36-5* бу М_вх получается меньше и, кроме того, при малых s может образоваться провал момента, так как максимум момента от действия обмотки возбуждения наступает при весьма малом s. Поэтому при г_г — 0 втягивание в синхронизм происходит в менее благоприятных условиях.

Если синхронная машина лишена успокоительной или пусковой обмотки и имеет немассивнме полюсы или ротор, то в результате сильного проявления одноосного эффекта асинхронный пуек ее возможей только на холостом ходу или при малой нагрузке на валу, причем обмотка возбуждения должна быть замкнута через значительное активное сопротивление.

Синхронные двигатели с массивными роторами или полюсами имеют бдагоприятную характеристику М, = f (s)v если отношение 4/т S* 1. При малом Ц/х большое влияние на величину тока в полюсных наконечниках начинает оказывать сопротивление торцевых зон полюсного наконечника^ и асинхронный момент поэтому М„ уменьшается.

Дата добавления: 2015-07-18