8. Двухфазное короткое замыкание синхронного генератора

Рис. 6.62. Схема двухфазного короткого замыкания (а) и векторные диаграммы токов и напряжений при этом

режиме (б, в)

Двухфазное короткое замыкание, например фаз АХ и BY (рис. 6.62,а), характеризуется следующими соотношениями: Í_С = 0; Ú_AB = 0; Ú_A = Ú_B в силу симметрии схемы и Í_А = - Í_В, так как при положительном направлении тока в фазе АХ (например, от конца фазы к началу), в фазе BY ток имеет отрицательное направление. Токи нулевой последовательности в данном режиме равны нулю, так как

(6.72)

Í₀ = (Í_А + Í_В + Í_С)/3=0.

Так как в фазе CZ сумма токов прямой и обратной последовательностей равна нулю

(6.73)

Í_С = Í_С1 + Í_С2 = 0

и для нее Í_С1 = - Í_С2 то, очевидно, во всех фазах токи прямой и обратной последовательностей равны по модулю (рис. 6.62,б).

Для определения установившегося тока двухфазного корот-кого замыкания I_к2 будем исходить из фазных напряжении

(6.74)

Ú_A = É_Á -jÍ_А1Х_пр - jÍ_А2X₂ ; Ú_B = É_В - jÍ_В1Х_пр - jÍ_В2X₂.

При этом линейное напряжение

(6.75)

Ú_AB = Ú_A - Ú_B = √3É - jX_пp(Í_А1 - Í_В1 ) - jX₂(Í_А2 - Í_В2 ).

Из векторной диаграммы (рис. 6.62,б) следует, что Í_А1 - Í_В1 = Í_А2 - Í_В2 = Í_АВ1, откуда

(6.76)

Ú_AB = √3É₀ - jÍ_АВ1 (X_пp + Х₂ ).

Следовательно,

(6.77)

Í_АВ1 = -√3jÉ₀ /(X_пp + Х₂ ).

Так как Í_А - Í_В = 2_ÍА = (Í_А1 - Í_В1 ) + (Í_А2 - Í_В2) = 2Í_АВ1 , получаем

(6.78)

I_к2 = I_А = I_АВ1 = √3E₀ /(X_пp + Х₂ ).

Векторная диаграмма напряжений при двухфазном коротком замыкании изображена на рис. 6.62, в.

10

Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. По конструкции синхроноскопы разделяют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа, который состоит из трех ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равносто­роннего треугольника.

При включении ламп по схеме «на погасание» (рис. 93, а) мо­мент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Предположим, что звезда ЭДС генератора ; ; враща­ется с угловой частотой , превышающей угловую частоту враще­ния звезды напряжений сети ; ; . B этом случае напря­жение на лампах определяется геометрической суммой ; ; (рис. 93, б). В момент сов­падения векторов звезды ЭДС с векторами звезды напряжений эта сумма достигает наибольшего значения, при этом лам­пы горят с наибольшим накалом (напряжение на лампах равно удвоенно­му напряжению сети). В последующие моменты времени звезда ЭДС об­гоняет звезду напряжений и напряжение на лампах уменьшается.

 

Рис. 92. Включение синхронных генера­торов на параллельную работу:

Г₁– Г₄ – синхронные генераторы, ПД₁–ПД₄ – приводные двигатели

 

В момент синхрониза­ции векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при кото­ром ; ; , т. е. , и все три лампы одновременно гаснут (рис. 93, в). При большой разности уг­ловых частот и лампы вспыхивают час­то. Изменяя частоту вращения первичного двигателя, добиваются равенства , о чем будет свидетельст­вовать погасание ламп на длительное время. В этот момент и следует замкнуть рубильник, после чего генератор окажется подключен­ным к сети.

11

Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2–5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

 

Рис. 93. Ламповый синхроноскоп

 

При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значи­тельные механические воздействия на обмотки, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воздей­ствий на надежность генератора учитывается при проектировании синхронных генераторов. Способ самосинхронизации (грубой синхронизации) обычно применяют в генераторах при их частых включениях. Этот способ прост и легко автоматизируется

Рис. 6.33. Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора при  параллельной работе с сетью

12. Регулирование активной мощности. После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети U_c . Относительно внешней нагрузки напряжения U и U_c совпадают по фазе, а по контуру «генератор — сеть» находятся в противофазе, т. е. Ú = - Ú_c (рис. 6.33, а). При точном выполнении указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I_a после подключения машины к сети равняется нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I_a при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (6.23)

(6.28)

Ía = (É0 - Ú)/(jXсн ) = -j(É0 - Ú)/Xсн .

Так как U = U_c = const, то силу тока I_а можно изменять только двумя способами — изменяя ЭДС Е₀ по величине или по фазе. Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор É₀ смещается относительно вектора Ú на некоторый угол θ в направлении вращения векторов (рис. 6.33,б). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС ΔЕ, приводящая согласно (6.28) к появлению тока I_а . Возникающую небалансную ЭДС ΔÉ = É₀ - Ú = É₀ + Ú_c = jÍ_a X_сн можно показать на векторной диаграмме (рис. 6.33, б). Вектор тока I_а отстает от вектора ΔЕ на 90°, поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением X_сн .

При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность

Р = mUI_a cos φ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор É₀ будет отставать от вектора напряжения Ú на угол θ (рис. 6.33, в). При этом возникают небалансная ЭДС ΔÉ и ток Í_a , вектор которого отстает от вектора ΔÉ на 90°. Так как угол φ > 90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р = mUI_a cos φ забирается из сети, и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный кего валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки — уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим.

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 6.34, а), увеличить ток возбуждения Iв, то возрастет ЭДС Е₀ (рис. 6.34, б),возникнет небалансная ЭДС ΔÉ = - jI_а X_сн и по обмотке якоря будет проходить ток I_а ,который согласно (6.28) определяется только индуктивным сопротивлением Х_сн машины. Следовательно, ток Í_a реактивный: он отстает по фазе от напряжения Ú на угол 90° или опережает на тот же угол напряжение сети Ú_c . При уменьшении тока возбуждения токÍ_aизменяет свое направление: он опережает на 90° напряжение Ú (рис. 6.34, в) и отстает на 90° от напряжения Ú_c .Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_а , т. е. реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока I_ав рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р = 0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой создаются те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_а , т. е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины с током I_в.п , при

Рис. 6.34. Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора при параллельной работе с сетью и отсутствии активной нагрузки

котором реактивная составляющая тока I_аравна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I_в больше тока I_в.п , при котором имеется режим полного возбуждения, то ток I_асодержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения I_в меньше тока I_в.п , то ток I_а содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Перевозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна емкости. Машину, специально предназначенную для работы в таком режиме, называют синхронным компенсатором и используют для повышения коэффициента мощности электрических установок и стабилизации напряжения в электрических сетях. Недовозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна индуктивности.

Возникновение реактивной составляющей тока I_а физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток сцепленный с каждой из фаз, ΣФ = Ф_рез + Ф_σ = Ф_в + Ф_а + Ф_σ не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

(6.29)

Ú = É₀ + É_а + É_σа = - Ú_c = const.

Следовательно, если ток возбуждения I_в больше тока, требуемого для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I_а , которая создает размагничивающий поток реакции якоря Ф_а ; если ток I_в меньше тока, необходимого для полного возбуждения, то возникает опережающая составляющая тока I_а , которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф_а . Во всех случаях суммарный поток машины ΣФ автоматически поддерживается неизменным.

13 U – образные характеристики синхронного генератора

Рассмотрим работу синхронного генератора, если после подключения его к сети для параллельной работы изменить ток в его обмотке возбуждения, оставив неизменным вращающий момент приводного двигателя? Предположим, что генератор после подключения на сеть работает без нагрузки и его ЭДС уравновешивает напряжение сети . Если при этом увеличить ток в обмотке возбуждения, т. е. пере­возбудить машину, то ЭДС увеличится до значения в цепи генератора появится избыточная ЭДС (рис. 97, а), вектор которой совпадает по направлению с вектором ЭДС . Ток , вызванный ЭДС , будет отставать от нее по фазе на 90° (поскольку ). По отношению к ЭДС этот ток также будет отстающим (индуктивным). С увеличением перевоз­буждения значение реактивного (индуктивного) тока увеличится.

Если же после того, как генератор подключен к сети, умень­шить ток возбуждения, т. е. недовозбудить машину, то ЭДС уменьшится до значения и в цепи генератора опять будет действовать избыточная ЭДС . Теперь вектор этой ЭДС будет совпадать по направлению с вектором напряжения сети (рис. 97, б), и поэтому ток , вызванный этой ЭДС и отстающий от нее по фазе на 90°, будет опере­жающим (емкостным) по отношению к ЭДС генератора .

Рис. 97. Векторные диаграммы ЭДС синхрон­ного генератора,

вклю­ченного на параллельную работу

 

Показанное на векторных диа­граммах можно объяснить следующим. При перевозбуждении генера­тора увеличивается МДС возбуждения . Это сопровож­дается появлением в обмотке статора реактивного тока , который по отношению к ЭДС является отстающим (индуктивным). Вы­званная этим током продольно-размагничивающая реакция якоря компенсирует избыточную МДС возбуждения так, что ЭДС генератора остается неизменной. Такой же процесс происходит и при недовозбуждении генератора с той лишь разницей, что в обмотке появляется опережающий (емкостный) ток , а вызванная этим током продольно-намагничивающая реакция якоря компен­сирует недостающую МДС возбуждения.

Следует иметь в виду, что ток , отстающий по фазе от ЭДС , по отношению к напряжению сети является опережающим током и, наоборот, ток , опережаю­щий по фазе ЭДС , является отстающим по отношению к на­пряжению .

 

Рис 98. U – образные характери­стики синхронного генератора

 

Если при всех изменениях тока возбуждения вращающий момент приводного двигателя остается неизменным, то также неизменной остается активная мощность генератора:

 .

 

Из этого выражения следует, что при активная со­ставляющая тока статора .

Таким образом, степень возбуждения синхронного генератора влияет только на реактивную составляющую тока статора. Что же касается активной составляющей тока , то она остается неизменной.

Зависимость тока статора от тока в обмотке возбуждения при неизменной активной нагрузке генератора выражается графически U – образной кривой. На рис. 98 представлены U – образные характеристики при , построенные для разных значений активной нагрузки: ; и . U – образные характеристики синхронного генератора показы­вают, что любой нагрузке генератора соответствует такое зна­чение тока возбуждения , при котором ток статора , стано­вится минимальным и равным только активной составляющей: . В этом случае генератор работает при коэф­фициенте мощности . Значения тока возбуждения, соот­ветствующие при различной нагрузке генератора, пока­заны на рис. 98 пунктирной кривой. Некоторое отклонение этой кривой вправо указывает на то, что при увеличении нагрузки ток возбуждения, соответствующий , несколько возрастает. Объясняется это тем, что при росте нагрузки необходимо некоторое увеличение тока возбуждения, компенсирующее активное па­дение напряжения.

Необходимо иметь в виду, что при постепенном уменьшении тока возбуждения наступает такое минимальное его значение, при котором магнитный поток обмотки возбуждения оказывается на­столько ослабленным, что синхронный генератор выпадает из синхронизма – нарушается магнитная связь между возбужден­ными полюсами ротора и вращающимся полем статора. Если со­единить все точки минимально допустимых значений тока возбу­ждения на U – образных характеристиках (штриховая линия в левой части рис. 98), то получим линию предела устойчивости рабо­ты синхронного генератора при недовозбуждении.

С точки зрения уменьшения потерь генератора наиболее вы­годным является возбуждение, соответствующее минимальному току статора, т. е. когда . Но в большинстве случаев на­грузка генератора имеет индуктивный характер и для компенсации индуктивных токов (отстающих по фазе от напряжения сети) при­ходится несколько перевозбуждать генератор, создавая условия, при которых ток статора , опережает по фазе напряжение сети . Следует отметить, что для сохранения , неизменным при изменениях активной нагрузки генератора требуется одновремен­ное изменение тока возбуждения генератора.