Работа синхронных генераторов при несимметричной нагрузке

Обмотка статора синхронных генераторов обычно включается в звезду, причем нулевая точка в малых машинах изолирована, а в крупных машинах с целью выполнения релейной защиты от замыкании на землю заземляется через большое сопротивление. Поэтому токи нулевой последовательности либо отсутствуют, либо весьма невелики.

В силу этого при несимметричной нагрузке синхронных генераторов, кроме токов прямой последовательности, практи­чески существуют только токи обратной последовательности.

Последние вызывают в машине ряд нежелательных явлений и де­лают режим работы машины тяжелым.

Потери энергии и нагрев ротора.

Токи двойной частоты, индуктируемые в роторе магнитным полем статора обратной последовательности, вызывают в роторе излишние потери и его нагрев, а также уменьшение к.п.д. машины.

Токи, индуктируемые обратным полем в успокоительных обмот­ках явнополюсных машин и в массивном роторе турбогенераторов, могут быть весьма значительными, а активные сопротивления этим токам под влиянием поверхностного эффекта будут большими.

Поэтому при значительной несимметрии нагрузки возникает чрезмерный и опасный нагрев успокоительных обмоток и массив­ных роторов.

Высокая температура тела ротора турбогенератора вызывает опасные деформации ротора и вероятность повреждения изоляции обмотки возбуждения. Нагрев успокоительной обмотки явнополюсной машины мало влияет на температуру обмотки возбуждения ввиду удаленности этих обмоток друг от друга и лучших условий охлаж­дения обмотки возбуждения явнополюсных машин.

Токи, индуктируемые обратным полем в обмотке возбуждения, меньше из-за большего сопротивления рассеяния этой обмотки. Поэтому в явнополюсных машинах дополнительный нагрев обмотки возбуждения при несимметричной нагрузке невелик.

Вибрация.

В результате взаимодействия потока возбуждения и потока обратной последовательности статора, а также поля прямой последовательности статора и поля токов двойной частоты ротора при несимметричной нагрузке на ротор и статор действуют знако­переменные вращающие моменты и тангенциальные силы, пульси­рующие с частотой

Кроме того, вследствие этих же причин возникают пульсирую­щие радиальные силы притяжения и отталкивания между полюсами полей статора и ротора, стремящиеся деформировать статор и ротор. Эти силы вызывают вибрацию частей машины, шум и ослабление запрессовки сердечника статора. Пульсирующие силы двойной час­тоты ввиду усталостных явлений могут также вредно отразиться на прочности сварных соединений, в особенности при наличии дефектов сварки. Все указанные факторы, естественно, тем сильнее, чем боль­ше несимметрия нагрузки.

Искажение симметрии напряжении. Токи обратной последова­тельности вызывают в фазах обмотки статора падения напряжения

Z₂I₂ векторы которых ориентированы относительно напряжений прямой последовательности в разных фазах по разному.

В результате этого симметрия напряжений генератора иска­жается и напряжения более загруженных фаз будут меньше. Это ухудшает условия работы приемников, в особенности асинхрон­ных и синхронных двигателей.

В машинах с успокоительными обмотками и массивными рото­рами или полюсами Z₂ меньше, вследствие чего и искажение сим­метрии напряжений у них меньше. Физически это объясняется тем, что в таких машинах поток обратной последовательности статора в значительной степени заглушается токами, индуктируе­мыми в роторе, и поэтому этот поток индуктирует в фазах обмотки

Высшие гармоники токов и напряжении. Как было устано­влено выше, ввиду неравенства сопротивлений по продольной и поперечной осям возникает третья гармоника тока с частотой 3f₁. В особенности сильное искажение формы кри­вой тока происходит при несиммитричных коротких замыканиях, так как при этом сглаживающее влияние внешних индуктив­ных сопротивлений исчезает или ослабляется. В качестве примера на рис. изображена форма кривой тока при двухфазном корот­ком замыкании.

Высшие гармоники ток» могут вызвать опасные резонансные явления, если в цепях обмоток статора имеются емкости (напри­мер, емкость длинных линий передачи и пр.).

В результате резонанса напряжений на зажимах обмотки статора возникают напряжения повышенных частот, которые могут превы­сить номинальные напряжения во много раз и повредить изоляцию машины. Это является одной из причин того, что мощные гидрогене­раторы, работающие на длинные линии передачи, обычно снабжаются успокоительными обмотками. При наличии успокоительных обмоток, вследствие чего в этом случае токи остаются синусоидальными и опасность указанных перенапряжений исче­зает.

Допустимая несимметрия нагрузки ограничивается прежде всего необходимостью предотвращения опасного нагрева ротора, а также вибрации машины.