Асинхронный режим возбужденной синхронной машины

Асинхронный режим возбужденной синхронной машины, как

уже указывалось, возникает в результате ее перегрузки или падения напряжения в сети, а также при подаче возбуждения генератору после потери возбуждения или при использовании метода самосинхронизации в двигателе при его асинхронном пуске.

При вращении синхронной машины со скольжением s постоянный ток возбуждения i_f индуктирует в обмотке якоря э. д. с. Е_к и токи /_к частоты (1 — s) f_r. Токи /_к накладываются на ток частоты /_ь протекающий в якоре под действием напряжения сети. Так как в самой сети э. д. с. и напряжений частоты (1 — s) /_х «ет, то относительно э. д. с. Е_к и тока /_к обмотка якоря замкнута накоротко через сеть, сопротивление которой можно принять равным нулю. Поэтому ток /_к в сущности эквивалентен току установившегося короткого замыкания синхронного генератора.

Для неявнополюсной машины

где Е яха — соответственно величины э. д. с., индуктируемой током-возбуждения if, и продольного синхронного сопротивления при s = 0.

Выражение (36-13) действительно также для явнополюсных машин при малых s с большой точностью, а при больших «приближенно.

Токи /_к загружают машину мощностью

Момент М_к стремится уменьшить скорость вращения ротора и в режиме генератора облегчает, а в режиме двигателя затрудняет вхождение машины в синхронизм. Кроме того, при асинхронном ходе возбужденной машины в результате взаимодействия потока возбуждения, вращающегося со скоростью (1 — s) ti\, и потока якоря от токов частоты сети f_lt вращающегося со скоростью п_ъ возникает сильный пульсирующий момент Mf_a, который имеет частоту sf_t и накладывается на асинхронный момент М_л и на момент М_к. Если нагрузка на валу и скольжение s не слишком велики, то под воздействием момента Mf_u машина втягивается в синхронизм, так как в течение отрезка времени, когда M_fa действует в нужном направлении, скорость ротора п может достигнуть синхронной п_х и даже превзойти ее (рис. 36-6). При этом после некоторого количества колебаний скорости ротора около синхронного значения, после затухания этих колебаний, наступит установившийся синхронный режим работы.

Отметим, что на холостом ходу или при небольшой нагрузке на валу явнополюсная синхронная машина, вращающаяся с небольшим скольжением, способна втянуться в синхронизм и без возбуждения, в результате действия реактивного момента, который при s Ф 0 также пульсирует с частотой sf_x. В этом случае после включения тока возбуждения полярность полюсов может не соответствовать необходимой полярности, и тогда произойдет «проскальзывание» ротора относительно поля якоря на одно полюсное деление, причем одновременно возникнет также кратковременный всплеск тока статора. Подобный переход не представляет для машины никакой опасности.

На рис. 36-7 в качестве иллюстрации к изложенному изображены кривые изменения напряжения U "и тока / якоря, напряжения Uf «тока if обмотки возбуждения, мощности Р, угла нагрузки 9 и скольжения s турбогенератора мощностью 100 Мет при его выпадении из синхронизма в результате короткого замыкания в сети, при последующем асинхронном режиме и втягивании обратно в синхронизм (ресинхронизации). Так как потери относительно малы, тоР~'М и кривая на рис. 36-7, д характеризует также изменение момента на валу. Короткое замыкание произошло в момент t = 0 и бкло отключено в момент / = 0,5 сек. Во время короткого замыкания мощность генератора Р упала почти до нуля, и так как мощность турбины осталась неизменной, то скорость возросла и машина стала вращаться со скольжением s < 0.

В асинхронном режиме с постоянным током возбуждения, как видно из рис. 36-7, ток, мощность и момент генератора сильно пульсируют, а угол 6 между векторами Ё и U ввиду несинхронного вращения ротора непрерывно изменяется (на рис. 36-7, е изменения 9 показаны до б = 360°, после чего 6 опять начинается с нуля). На постоянный ток возбуждения накладывается переменный, индуктируемый вращающимся полем якоря. После t = 2 сек абсолютная величина скольжения начинает уменьшаться, затем меняет знак

Рис. 36-6. Характер изменения вращающего момента М, скольжения s и скорости вращения п при втягивании машины в синхронизм после включения тока возбуждения в момент времени t₀

и после некоторых колебаний машина втягивается в синхронизм (на рис. 36-7 после t = 4 шс виден только один период колебаний 8 и s). О втягивании в синхронизм свидетельствует то, что угол 6

совершает колебания, а не изменяется непрерывно. Синхронизации турбогенератора способствовало увеличение u_f и If под действием автоматического регулятора возбуждения.

Следует отметить, что во время аварий ресинхронизация генераторов после выпадения их из синхронизма часто происходит без вмешательства персонала, причем сам факт вы-падения из синхронизма часто остается незамеченным, так как он затушевывается происходящими во время аварий колебаниями (см. § 39-1).

Аналогично происходит также синхронизация двух частей энергосистемы, если они включаются на параллельную работу без предварительной синхронизации после того, как в результате аварии они разделились и стали работать несинхронно. Указанные процессы совершаются тогда во всех генераторах энергосистемы» причем наиболее интенсивно в тех из них, которые расположены ближе к точке раздела системы. В энергосистемах СССР самосинхронизация разделившихся частей энергосистем двпускаетс4 в случаях, когда максимальные толчки тока в гидрогенераторах не превышают 3/„ и в турбогенераторах 5/_в и длительность асинхронного хода не больше 10—15 сек.

Рис. 36-7. Зависимость электромагнитных величии возбужденного турбогенератора от времени при выпадении машины из синхронизма, последующем асинхронном ходе и ре синхронизации

§ 36-3. Самовозбуждение синхронной машины

В цепях обмотки якоря синхронных машин часто содержатся емкости (емкость между проводами длинных линий передачи и между ними и землей; емкости так называемой продольной компенсации индуктивного сопротивления линий передачи, включаемые последовательно в фазы линии передачи сверхвысокого напряжения — 500 кв и выше; батареи конденсаторов для улучшения коэффициента мощности сети и др.)- В таких случаях возможно самовозбуждение синхронных машин, когда вращающаяся машина развивает напряжение и нагружается током при отсутствии тока возбуждения.

Магнитное поле в синхронной машине при этом создается емкостным током /, отдаваемым машиной в сеть, или, что то же самое, индуктивным током, потребляемым машиной из сети. При самовозбуждении ротор синхронной машины может вращаться синхронно с магнитным полем статора (синхронное самовозбуждение) или асинхронно с ним (асинхронное самовозбуждение). Для выяснения условий самовозбуждения рассмотрим работу одиночного генератора на емкость (рис. 36-8, о).

Синхронное самовозбуждение. При наличии остаточного магнитного потока при вращении ротора в обмотке якоря индуктируется некоторая э. д. с. Е. Эта э. д. с. при работе по схеме рис. 36-8 вызывает в цепи якоря емкостный ток /, который создает намагничивающую реакцию якоря. В результате магнитный поток, индуктируемая в якоре э. д. с. и ток / увеличиваются и т. д. (рис. 36-9, а и б). Этот процесс самовозбуждения аналогичен самовозбуждению генератора постоянного тока с той лишь разницей, что в данном случае поток машины создается самим током якоря.

На рис. 36-8, б изображена зависимость напряжения генератора от емкостного тока якоря /. Если положить г_а = 0, то

Рис. 36-8. Схема работы синхронного генератора на емкостную нагрузку (а) и его характеристики при синхронном самовозбуждении (б)

Зависимость U_T= f (/) практически идентична с характеристикой холостого хода U_T = f (if), если ток возбуждения ij привести к обмотке якоря. Вследствие насыщения величина % вдоль кривой U_r = / (/) изменяется.

С другой стороны, напряжение на конденсаторах

и зависимость U_c = f (/) прямолинейна (рис. 36-8, б).

Если U_r > Uq или x_d > х_с (рис. 36-8, б), то самовозбуждение возможно и при наличии остаточного магнитного потока возникает в действительности.

В точке А на рис. 36-8, б U_r= U_c и поэтому увеличение / прекращается и процесс самовозбуждения заканчивается.

Самовозбуждение представляет собой нежелательное явление, так как оно неуправляемо и напряжения и токи при этом могут достичь опасных значений.

Очевидно, что самовозбуждение невозможно, когда x_dw < x_c, так как при этом кривая U_c на рис. 36-8, б пойдет выше кривой U_t.

Для характеристики реальных соотношений укажем, что включение под напряжение разомкнутой на приемном конце линии передачи Волжская ГЭС им. В. И. Ленина — Москва путем приключения ее к одному генератору ГЭС недопустимо, так как генератор при этом самовозбуждается, а при двух параллельно включенных генераторах их эквивалентное Хд в два раза меньше и самовозбуждения не происходит.

В реальных условиях сопротивление цепи якоря г^Ои поэтому генератор должен при самовозбуждении развивать также активную мощность. Неяв-нополюсный генератор при г Ф 0 и г^ = 0 в синхронном режиме не может развивать активной мощности и поэтому его синхронное самовозбуждение невозможно. Такое возбуждение возможно только у явнополюсного генератора, у которого необходимая мощность развивается за счет реактивного момента. При этом не имеет значения, будет ли обмотка возбуждения замкнута или разомкнута (рис. 36-9 а и б).

Физически ясно, что при слишком большом г синхронное самовозбуждение также невозможно, так как при этом активная мощность окажется большей, чем может развить явнополюсная машина в устойчивом синхронном режиме работы без возбуждения.

На рис. 36-10 зона / представляет собой соотношения между х_с и г, при которых самовозбуждение происходит. Из этого рисунка видно, что синхронное самовозбуждение происходит в области х_а>х_с> х₉.

Асинхронное самовозбуждение синхронной машины того же вида, как и в асинхронных машинах (см. § 29-2), происходит в случае, когда емкость настолько велика, что * _с <.х:^ (зона /// на рис. 36-10). Этот вид самовозбуждения возможен только при наличии на роторе замкнутых обмоток или контуров тока, в которых при асинхронном вращении ротора относительно поля якоря индуктируются токи. Если при этом ротор в электрическом отношении симметричен (x"_d <=zx"_q), то амплитуда тока якоря в установившемся режиме бу;т постоянной (рис. 36-9, в), а при х% Ф x"_q или x'_d ф х (явнополюсная машина (з успокоительной обмотки) ток якоря пульсирует (рис. 36-9, г),

В области Х- > х_с > x'_d (зона // на рис. 36 0) самовозбуждение носит промежуточный характер, когда относительная скорость ротора и поля якоря резко неравномерна и ротор периодически «проскальзывает» относительно поля якоря на величину полюсного деления. В результате медленные изменения угла нагрузки 8 чередуются с быстрыми (рис. 36-11). Ток якоря при этом также пульсирует (рис. 36-9, г), и самовозбуждение происходит только при замкнутой обмотке возбуждения. Такой вид самовозбуждения называют также р е п у л ь -сионно-синхронным.

Рис. 36-11. Характер изменения угла 8

во времени в процессе репульсионно-

синхронного самовозбуждения

Дата добавления: 2015-07-18