Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

292

где Р=3U*I*cosφ---полезная мощность, отдаваемая генератором в сеть (U и I---

действующие фазные значения). Так как потери в обмотке статора Роб = ЗR*

незначительны (обычно меньше 1 % номинальной мощности генератора), то ими

можно пренебречь. Тогда

Рэм

≈

3U*Iсоs

. (12.19)

Для практического пользования формулу (12.19) преобразовывают, выражая Р,

через э. д. с. Е0, напряжение U и угол θ

между ними (он равен углу между осями полюсов

ротора и результирующего поля двухполюсной машины). Если из конца вектора Е0

(рис.

12.9, а) опустить перпендикуляр на продолжение вектора U

, то получим прямоугольные

треугольники ОАВ и АВС. В последнем угол САВ равен φ, что очевидно из подобия

прямоугольных треугольников САВ и DОС,

стороны которых взаимно перпендикулярны.

Следовательно, общая сторона треугольников АВ = т*Е0*siп θ= m*Х*I* соsφ, где m---

масштаб по напряжению. Отсюда I*соsφ= (Е0 sinφθ)/Х.

Подставив значение I*соsφ в формулу (12.19), найдем:

При условии постоянства Е0 и U (Х=const до насыщения машины) Рэм

будет функцией

sinθ.

293

Таким образом, электромагнитная мощность синхронного генератора (как и его

полезная мощность Р

≈

Рэм, отдаваемая в сеть) пропорциональна sinθ. Зависимость

(12.20) называется угловой характеристикой Рэм (θ) (рис. 12.9, 6). С увеличением угла

мощность увеличивается, достигая максимального значения при θ=90, а затем

уменьшается до нуля. Из рис. 12.9, 6 также следует, что при θ=соnst увеличение

возбуждения генератора приводит к возрастанию Рм.

Номинальной мощности синхронных генераторов обычно соответствует

θ= 20--25°. Согласно рис. 12.9, 6 при Р=Рном уменьшением возбуждения (Iв<I

в.ном

) угол θном увеличивается, а Рмах (и устойчивость генератора) уменьшается. С

увеличением возбуждения (Iв>Iв.ном), наоборот, θном уменьшается, а Рмах

увеличивается.

Область зависимости Рэм(θ) с отрицательными значениями Рэм,

соответствующая отрицательным значениям угла θ, относится к работе синхронной

машины в режиме двигателя.

В нагруженном синхронном генераторе, благодаря воздейств

ию магнитного поля

ротора на токи статора, создается электромагнитный момент, который действует

на статор и противодействует вращению ротора, т. е. является тормозным и

направленным против вращающего момента первичного двигателя (вторичное явление).

Действительно, магнитное поле полюса ротора взаимодействует о током I

в обмотке

статора (см. рис. 12.2), направление которого (как и э. д. с. Е0)

определяется по правилу

правой руки, и на основании закона Ампера в генераторе создается тормозной

электромагнитный момент Мэм.

Его направление определяется по правилу левой руки с

учетом того, что проводники статора неподвижны. С изменением нагрузки он

автоматически увеличивается ИЛИ уменьшается, а соответственно этому должен

изменяться и вращающий момент М1 первичного двигателя (с помощью специальных

регуляторов, например центробежного регулятора в турбогенераторе) до наступления

нового установившегося режима, т. е. динамического равновесия моментов

М1= Мэм

при п = соnst.

Так как синхронный генератор при f=const вращается с постоянной угловой

скоростью Ω0 = 2πn0/60, то его электромагнитная мощность пропорциональна Мэм,

т.

е. Рэм=Ω0*Мэм. Следовательно, электромагнитный момент синхронной машины

В режиме двигателя электромагнитный момент является активным

(вращающим), преодолевающим тормозной момент на валу. Зависимость Рэм (θ) на

рис. 12.9, б будет и зависимостью электромагнитного момента Мэм (θ) генератора

(Рэм=Ω0*Мэм), но в масштабе моментов. Из относительного положения полюсов

ротора и поля статора синхронной машины (рис. 12.9, в и г),

видно, что ведущим звеном

в режиме генератора является поле ротора, а в режиме двигателя---поле статора.

294

12.10. Включение синхронного генератора

на параллельную работу

Автономно синхронные генераторы работают относительно редко, например в

передвижных электростанциях, на небольших электростанциях, стройплощадках,

лесоразработках, в сельском хозяйстве и в других случаях.

Современные электростанции оборудуют обычно несколькими синхронными

генераторами, которые между собой параллельно и через сборные шины работают на

общую сеть с нагрузкой (рис. 12. 10,а). Различные электростанции, кроме того,

подключаются к электрической сети энергосистемы. При этом э. д. с. генераторов

действуют друг относительно друга встречно, т. е. находятся в противофазе (если их

рассматривать в контуре, состоящем из двух генераторов), а по отношению к

приемникам---согласованно. В дальнейшем электрические величины работающих на

общую сеть генераторов и вновь включаемого генератора будем обозначать

соответственно с индексами «с» и «г»

Параллельная работа позволяет получить большую мощность в сети и

обеспечить генераторам экономичный нагрузочный режим; она повышает также

надежность, качество электроснабжения и др. Практически синхронные генераторы

включаются на параллельную работу способом точной синхронизации или способом

самосинхронизации (грубой синхронизации).

Способ точной синхронизации. Включение синхронного генератора в сеть на

параллельную работу с другими генераторами требует особой предварительной

подготовки, которая называется синхронизацией. К моменту включения генератора

необходимо достичь равенства мгновенных э. д. с. фаз генератора и их частоты

мгновенным напряжениям фаз сети и их частоты: еr(t) = иc(t), или

для каждой фазы генератора и сети. При этом амплитуда э. д. с. генератора Emr

зависит от тока возбуждения ротора, а частота wr и на-

295

чальная фаза

---от частоты и фазы вращения первичного двигателя.

Из уравнения (12.22) получаем условия с

инхронизации: 1) равенство действующих

напряжений Ur=Uc; 2) совпадение начальных фаз напряжений

ψψ

;З) равенство

частот fr=fc;4) одинаковость чередования фаз включаемого генератора и сети.

Невыполнение хотя бы одного из них может привести к чрезмерно большим токам и

механическим моментам и даже вызвать аварию.

Перед включением генератора на параллельную работу в сеть (см. рис. 12.10,а)

его в холостую разгоняют до частоты, близкой к синхронной, возбуждают и

выполняют все условия синхронизации. Равенство напряжений Ur,Uc и частот fr,fc

контролируется вольтметрами и частотомерами. При этом Ur доводится до Uc

регулировкой тока возбуждения, а частота генератора fr регулируется изменением

частоты вращения первичного двигателя.

Порядок чередования фаз генератора и сети

296

предварительно может быть проверен ф а з о у к а з а т е л е м — прибором,

работающим па принципе трехфазного асинхронного двигателя с ротором в виде

алюминиевого диска, на котором нанесены белые и черные радиальные волосы или

стрелка (рис. 12.10, б).

Технически наиболее сложным является обеспечение синфазности напряжений

ur,uc и связанного с ним точного равенства частот fr,fc. Для этого применяются

специальные приборы — с и н х р о н ос к о п ы стрелочные или ламповые). Ламповые

синхроноскопы используются для синхронизации генераторов малой мощности.

Наиболее широко распространен стрелочный синхроноскоп (с вращающейся

стрелкой) электромагнитной системы, внешний вид и схема включения которого

показаны на рис. 12.11. Синхроноскоп имеет три неподвижные катушки. Внутри первой

1 находится вращающийся Z-образный плоский стальной сердечник, жестко

скрепленный с указательной стрелкой. Остальные две катушки 2 и 3, окружающие

первую с сердечником, установлены одна к другой под углом 120°.

Во включенном синхроноскопе катушка создают три пульсирующих поля,

которые складываются и образуют одно вращающееся поле. По его оси и располагается

Z-образный сердечник. В момент совпадения фаз напряжений Ur и Uc стрелка

синхроноскопа проходит через красную черту. Направление вращения стрелки

указывает, как нужно изменять частоту вращения генератора: при вращении против

хода часовой стрелки (fr>fc) обороты первичного двигателя генератора надо немного

уменьшить, а при вращении по ходу часовой стрелки (fr<fc)---увеличить. Этому

соответствуют команда на синхроно-

cкопе: «медленнее» и «быстрее». Генератор включается в сеть при медленном

вращении стрелки в момент, когда она подходит к красной черте.

Трехфазные генераторы ВН включаются на параллельную работу с помощью

синхроноскопов, подключаемых через трансформаторы напряжения (одной и той же

группы). Наша промышленность выпускает щитовые синхроноскопы несколь

ких типов

Э.

Способ самосинхронизации. В послевоенные годы в СССР разработано и все

шире внедряется включение синхронных генераторов на параллельную работу простым

297

способом самосинхронизации, или грубой синхронизации (рис. 12.12). Генератор

приводится во вращение первичным двигателем до частоты вращения, близкой к

синхронной, и без возбуждения ротора включается в сеть, а затем переключением

переключателя SА в положение «Работа»

тут же подается постоянный ток в обмотку

ротора. После этого генератор быстро входит в синхронизм. Так как в момент

включения частота вращения генератора немного меньше синхронной (на 2—З %) и он

не возбужден, То такой пуск сопровождается броском тока статора, в несколько раз

превышающим номинальный. Однако механические у

силия на валу генератора при этом

невелики и практически не представляют опасности.

Перед включением генератора фазоуказателем проверяется порядок чередования

фаз генератора и сети, регулировочный реостат Rрег в цепи возбуждения

устанавливается в положение, соответствующееUr=Uc, а обмотку ротора

переключателем SА отключают от источника постоянного тока и замыкают на

разрядный резистор сопротивлением Rp, равным пяти-десятикратному значению

сопротивления обмотки возбуждения, чтобы уменьшить в момент пуска напряжение

на ее выводах. Преимущество способа самосинхронизации перед точной синхронизацией

--в простоте и быстроте процесса включения, который может быть легко

автоматизирован. Способ успешно применяется для генераторов различных типов

мощностью до 50 тыс, кВт. На современных электростанциях, особенно мощных,

включение генераторов на параллельную работу автоматизируется.

12.11. Регулирование активной мощности

синхронного генератора

В условиях современной электрификации электростанции объединяются для

параллельной работы в мощные энергосистемы с общей распределительной сетью и

любое изменение нормального режима

включенного на параллельную работу генератора практически не влияет на работу

других генераторов, так как напряжение U и частота сети f

1 остаются неизменными.

Следовательно, электромагнитная мощность генератора, работающего параллельно в

сети большой мощности, как вытекает из формулы (12.20), пропорциональна sinθ. Из

298

этого следует, что любое изменение активной мощности генератора при неизменной

его э. д. с. Е0 возможно только с соответствующим изменением угла рассогласования

между векторами э. д. с. Е0 и неизменного напряжения сети U (см. рис. 12.5,в).

После включения на параллельную работу генератор сам по себе еще не

нагружается, т. е. не отдает в сеть активную энергию, а работает в холостую (I=

0):

его напряжение Ur , равное э. д. с. Е0, находится в фазе с напряжением сети Uc, угол

θ=0 и активная мощность генератора Р = Рэл = 0.

Из формулы (12.20) вытекает важный практический вывод: чтобы нагрузить

генератор, включенный на параллельную работу в мощной сети (увеличить его

активную мощность), надо обеспечить угол θ>0, но предварительно увеличить

возбуждение, обеспечив неравенство Е*cosθ>U э а ток I должен отставать от U

(см. рис. 12.9, а). С этой целью достаточно ротору генератора первичным двигателем

сообщить больший момент в направлении вращения. Вектор несколько увеличенной

э. д. с. Е0` соответственно повернется относительно неизменного вектора напряжения

сети U на угол θ’>0 (если же увеличить θ без форсировки возбуждения, т. е. при E0=U

то ток i будет опережать U, что соответствует емкостной нагрузке). Этого

практически можно достичь, одновременно увеличивая возбуждение в цепи ротора и

вращающий момент первичного двигателя генератора воздействием на его регулятор,

например дополнительным впуском пара в паровую турбину, воды в гидротурбину или

горючего в двигатель внутреннего сгорания.

Как только ротор генератора «выбежит» вперед и ось его поля опередит ось

поля статора (рис. 12.13), угол θ

станет положительным и в токе статора генератора

появится активная составляющая. Послед-

няя создает в генераторе тормозной электромагнитный момент, который

уравновешивает механический момент первичного двигателя. Ротор генератора в

новом установившемся режиме будет опять вращаться с синхронной скоростью, но

уже при увеличенном угле θ, соответствующем данной нагрузке. Для уменьшения

нагрузки генератора, наоборот, необходимо уменьшить механический момент

первичного двигателя (угол θ уменьшится) [11.17].

Таким образом, регулирование активной мощности генератора, работающего в

мощной сети, производится изменением момента первичного двигателя при частоте

вращения n=n0=const, которая задается частотой сети f1.

Чтобы осуществить перевод части нагрузки с одного параллельно работающего

генератора на другой, следует уменьшить вращающий момент первичного двигателя

первого генератора и увеличить---второго. После перераспределения нагрузки

генераторы будут работать с постоянной частотой вращения (f1=const)

На векторной диаграмме генератора (см.рис. 12.5, в) под углом θ располагают

ся

вектор э. д. с. Е0 генератора и вектор напряжения сети Uc=Ur. Появление угла

рассогласования θ вызывает в цепи генераторов ток в нагрузке I и напряжение

299

∆U=E0-U=jX*I. Значение тока статора генератора I(приU=const), определяющее

электромагнитную мощность, и является мерой активной нагрузки---мощности

генератора Р=3U*I*cosφ, отдаваемой в сеть.

Общая активная нагрузка всех генераторов системы определяется в каждый

момент времени суммарной активной мощностью всех приемников. Поэтому увелич

ение

или уменьшение нагрузки одного генератора (при неизменной общей нагрузке) должно

сопровождаться снижением или увеличением ее у какого-

либо другого генератора (или у

нескольких других). Если это не соблюдать, то равновесие нарушится. В результате

неско

лько изменятся частота вращения всех агрегатов, напряжение и частота тока в

системе.

12.12. Устойчивость параллельной работы

синхронных генераторов

Устойчивостью синхронного генератора

называется его способность работать

параллельно в сети при изменяющейся нагрузке без выпадения из синхронизма.

Изменение активной нагрузки генератора автоматически вызывает соответствующее

изменение вращающегося момента первичного д

вигателя, оборудованного специальным

регулятором. Однако этот процесс протекает так, что массивный ротор генератора,

обладая большой инерцией, не может сразу сдвинуться на необходимый угол θ’,

соответствующий измененной активной нагрузке, а будет совершать около значения

θ’

из-

за потерь затухающие колебания (качания) до наступления равновесия вращающего и

тормозного электромагнитных моментов агрегата. Такие колебания генератора

называются собственными. В генераторе могут быть и вынужденные колебания,

вызванные неравномерным вращением ротора, как, например, в генераторах с

приводом

от поршневых двигателей.

Из формулы(12.20) следует, что наибольшая активная мощность синхронного

генератора соответствует углу θ=90°, когда одноименные полосы ротора и статора

располагаются друг против друга. При дальнейшем увеличении активной нагрузки и

возрастании вращающего момента первичного двигателя (и угла θ) электромагнитная

мощность уменьшается и генератор выпадает из синхронизма параллельной работы с

другими генераторами.

При изменении нагрузки режим генератора будет устойчивым, если увеличение

вращающего момента первичного двигателя сопровождается соответственным

увеличением электромагнитной мощности, т. е. когда dPэм/dθ>0 [11].

Свойств

о синхронного генератора сохранять синхронный режим при постепенном

возрастании нагрузки (когда переход от одного установившегося состояния к другому

происходит без изменения напряжения U и частоты вращения п) называется его

статической устойчивостью.

Номинальная мощность синхронного генератора соответствует углу

300

θном= 20--25° (для двигателя, как менее ответственной машины, θном= 25--30°).

При этом условии синхронный генератор обладает достаточной перегрузочной

способностью, обеспечив

ающей устойчивую его синхронную работу и при значительных

колебаниях нагрузки (Pmax/Pном>2).

Для уменьшения колебаний ротора при изменениях нагрузки в синхронных

генераторах имеется дополнительная короткозамкнутая успокоительная обмотка

(см. рис. 12.16,б): в явнополюсном роторе---

в виде стержней, заложенных в отверстия

полюсных наконечников и закороченных с торцевых сторон, в неявнополюсном---

ее роль

обычно играют тело ротора и стальные клинья.

Свойство синхронного генератора сохранять синхронный режим в системе при

внезапном и резком изменениях нагрузки называется его динамической устойчивост

ью.

Повышение динамической устойчивости, например при КЗ в какой-

либо части системы,

сопровождающихся значительным понижением напряжения и уменьшением

электромагнитной мощности у генераторов, близких к месту аварии, достигается

быстрым увеличением их э. д. с. Е0,

что обеспечивается автоматической форсировкой

возбуждения.

12.13. Регулирование реактивной мощности

синхронного генератора

Изменение тока возбуждения I тока в роторной обмотке генератора,

работающего на автономную нагрузку) приводит к изменению магнитного поля

машины, а следовательно, и э. д. с. E0 тока в обмотке статора I, напряжения U на ее

фазе и частоты переменного тока f1 . При этом коэффициент мощности соsφ

генератора определяется только характером нагрузки.

Как отмечалось в п. 12.11, если генератор работает параллельно с другими

ге

нераторами в общей сети большой мощности, то изменение его тока возбуждения не

вызывает изменения напряжения и частоты, общих в сети и неизменных по значению

(U=const,f1=const).

301

Анализ физических явлений, происходящих в параллель

но работающем синхронном

генераторе при изменении тока возбуждения, можно выполнить с помощью векторной

диаграммы на рис. 12. 14,а. Примем, что активная мощность генератора Р = соnst.

Следовательно, исходным условием при анализе будет постоянство значений Р, Рэм,U

f1.

При изменении тока возбуждения Iв будут изменяться поле, создаваемое

обмоткой ротора, э. д. с. Е0 и ток 1

статора генератора. В любом режиме генератора

неизменным будет напряжение U= Е0-jX*I .Кроме того, всегда вектор падения

напряжения в обмотке статора jХ *I

должен оставаться перпендикулярным к вектору

тока в нагрузке I. Поскольку Pэм=const на диаграмме с изменением э. д. с. Е0 будет

изменяться и угол θ. Неизменным по значению и направлению является только вектор

Для наглядности рассуждений за исходный возьмем режим (см. рис. 12.14, а),

когда ток в нагрузке 1=I0, т. е. имеет минимальное значение и совпадает по фазе с

напряжением U(φ=0), что соответствует току возбуждения 1в=Iв0 и треугольнику

напряжений U=E0-jX*I.

При уменьшении тока возбуждения (Iв<Iв0) получим ряд значений Е0`, I’,jX*I ’ и

φ’,

отмеченных на диаграмме одним штрихом, а при увеличении (Iв>Iв0)---

двумя штрихами.

Так как Р=3U*I*cosφ=const, то постоянной остается активная составляющая тока в

нагрузке, совпадающая по фазе с U: Ia=I*cosφ=m1*Oa=const, где т1--- масштабный

множитель по току.