Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

и при ее отсутствии — поперечное переходное ин-

дуктивное сопротивление обмотки якоря

Xq —

аа

-\-

q — Xq.

(34-35)

Средняя индуктивность обмотки якоря определяется -средними

величинами

или x'

и x'

. Поэтому постоянная времени апе-

риодического тока якоря при наличии успокоительной обмотки

(34-36)

и при ее отсутствии

(34-37)

Если

x"d

то величина апериодического тока якоря при

— 0 пульсирует с двойной частотой между величинами E

и E

/x"q, так как при уменьшении индуктивного сопротивления

или индуктивности для сохранения того же потокосцепления ток

должен возрастать. Поэтому апериодический ток якоря изменяется

согласно равенству

~f +

COS Yo

+ - cos (2®t +

Yo)] <?

V (34-38)

Здесь первый член представляет собой постоянную составляющую

, а второй -— пульсирующую с двойной частотой. При x

сохраняется, очевидно, только первая.составляющая. При отсут-

ствии успокоительной обмотки x'd и х"

в выражении (34-38) необхо-

димо заменить соответственно на

x'd

и х'

Полный и ударный ток короткого замыкания. Полный ток корот-

кого замыкания якоря, согласно равенствам (34-33) и (34-38), равен

i =

'а

'ёв.

x'd

'Ti.

T'd

I Em

COS

(Ы + Yo)-%

[(^ + cos

При отсутствии успокоительной обмотки в выражении (34-39)

вместо x'i и

х"

нужно подставить

x'd

x'q,

и при этом первый член

(34-39), определяющий сверхпереходный ток короткого замы-

кания, будет равен нулю. Величина Yo представляет собой

угол между осью рассматриваемой фазы обмотки якоря и осью

полюсов в начальный момент короткого замыкания t = О

(см. рис. 34-5, а).

Если короткое замыкание происходит в конце линии передачи,

соединенной с генератором, то

x"d, x'd,

x'q

нужно увеличить

на величину индуктивного сопротивления линии, а при вычисле-

нии Т

по формулам (34-36) и (34-37) к г

нужно прибавить активное

сопротивление линии. При коротком замыкании с у„ = 0 или 180°

апериодический ток имеет наибольшую величину, и в этом случае

(рис. 34-11,6) пик тока короткого замыкания также достигает

наибольшего возможного значения, называемого ударным то-

ком короткого замыкания (i

). Значение /

уд

дости-

гается примерно через полпериода после начала короткого замыка-

ния (ш/ = я), и при отсутствии затухания (Td = Та = Т

= с»)

на основании выражения (34-39)

»уд — ^ .

В действительности через полпериода токи вследствие затухания

уже несколько уменьшатся и вместо 2Е

будет фигурировать не-

сколько меньшая величина. Кроме того, по ГОСТ 183—66 допу-

скается работа генератора при U = 1,05 U

. Поэтому в СССР при-

нято пользоваться формулой

(34-40)

В относительных единицах вместо (34-10) получим

(34-41)

/уд 1,8-1,05

/„

•V*

Например, при х= 0,10, согласно равенству (34-41), 1

уд#

= 18,9. Таким образом, ударные токи могут достичь весьма боль-

ших величин.

Периодические токи индуктора затухают с постоянной времени

- Характер изменения токов обмоток возбуждения и успокоитель-

ной изображен на рис. 34-11, в и г. При r

, как это

обычно и имеет место, быстро затухающая составляющая

тока М

отрицательна, чем и объясняется характер кривой на

рис. 34-11, в.

Очевидно, что из данных, получаемых путем обработки

осциллограмм токов короткого замыкания, можно опреде-

лить постоянные времени и параметры, входящие в равенство

(34-39).

Действие токов короткого замыкания. Тепловое действие токов

короткого замыкания не представляет для машины особой опас-

ности, так как токи довольно быстро затухают и, кроме того, релей-

ная защита весьма быстро отключает участок сети, где произошло

короткое замыкание. Но весьма опасны электродинамические уси-

лия, которые действуют на лобовые части обмоток и пропорцио-

нальны квадрату тока короткого замыкания. Эти усилия стремятся

отогнуть лобовые части обмотки статора к большему диаметру,

ближе к торцовой поверхности сердечника якоря. Кроме того,

такие усилия действуют также между катушечными группами раз-

ных фаз и отдельными катушками. Циклические деформации

лобовых частей, в особенности перегибы при выходе из паза,

могут вызвать повреждение изоляции и ее пробой. Поэтому

в мощных' машинах требуется весьма надежное крепление лобо-

вых частей.

Постоянная составляющая электромагнитного момента, дейст-

вующая на вал машины при внезапном коротком замыкании, неве-

лика, так как токи короткого замыкания являются практически

чисто индуктивными. Однако пульсирующие составляющие момента,

возникающие в результате взаимодействия магнитных потоков,

движущихся относительно друг друга, весьма велики. Кроме того,

в начальный момент короткого замыкания машина испытывает

сильный удар, так как энергия магнитных полей в этот момент

значительно возрастает за счет кинетической энергии ротора. В ре-

зультате этого возникает тормозящий момент, имеющий характер

кратковременного импульса. Вследствие изложенного большое

внимание должно уделяться обеспечению механической прочности

машины.

Процесс внезапного короткого замыкания, происходящего при

работе машины под нагрузкой, имеет более сложный характер, но

в главнейших чертах аналогичен рассмотренному выше случаю,

когда короткое замыкание происходит при холостом ходе. Вели-

чины начальных и ударных токов короткого замыкания при этом

также существенно не изменяются.

Глава тридцать пятая

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

§ 35-1. Включение синхронных генераторов

на параллельную работу

На каждой электрической станции обычно бывает установлено

несколько генераторов, которые включаются на параллельную

работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть,

кроме того, работает целый ряд электростанций, и поэтому парал-

лельно на общую сеть работает большое число синхронных генера-

торов. Благодаря этому достигается большая надежность энергоснаб-

жения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного

резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного

характера и другие выгоды.

Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть

ток одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться строго

в такт или, как говорят, синхронно, т. е. их скорости вращения п

пj, п

... должны быть в точности обратно пропорциональны числам

пар полюсов:

/ / t

Pi Ps Рз

В частности, скорости вращения генераторов с одинаковыми

числами полюсов должны быть в точности одинаковыми.

Условия синхронизации генераторов.

При включении генераторов на параллельную работу с дру-.

гими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого

толчка тока и возникновения ударных электромагнитных момен-

тов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого

оборудования, а также нарушить работу электрической сети или

энергосистемы.

Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом ре-

жим работы генератора на холостом ходу перед его включением

на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить

генератор в сеть. Совокупность этих операций называется син-

хронизацией генератора.

Идеальные условия для включения генератора на параллель-

ную работу достигаются при соблюдении следующих требова-

ний:

1) напряжение включаемого генератора U

должно быть

равно напряжению сети U

или уже работающего генератора;

2) частота генератора /

должна равняться частоте сети /

;

3) чередование фаз- генератора и сети должно быть одина-

ково;

4) напряжения U

и U

должны быть в фазе.

При указанных условиях векторы напряжений генератора и

сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рис. 35-1),

разности напряжений между контактами выключателя при вклю-

чении генератора (рис. 35-2) равны:

"га — — U

— U

—

= O

-O

О,

(35-1)

и поэтому при включении не возникает

никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается

путем регулирования тока возбуждения

генератора и контролируется с помощью

вольтметра. Изменение частоты и фазы

напряжения генератора достигается из-

менением скорости вращения генератора.

Правильность чередования фаз необхо-

димо проверять только при первом вклю-

чении генератора после монтажа или

сборки схемы. Совпадение напряжений

по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтмет-

ров или специальных синхроноскопов, а в автоматических син-

хронизаторах — с помощью специальных измерительных эле-

ментов.

Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию.

Действительно, если, например, напряжения U

и V

будут в момент

включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе

на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном

напряжении (С/

— О

= 2 О

). Если генератор включается в сеть

мощной энергетической системы, то сопротивление этой сети по

сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять

равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превы-

сить ток при обычном коротком замыкании в два раза. Ударные

электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре

раза.

Зарегистрировано немало случаев, когда неправильная синхро-

низация вызывала серьезные повреждения оборудования (повреж-

дение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полю-

сов, поломка вала, разрушение всего генератора).

Синхронизация с помощью лампового синхроноскопа может

осуществляться по схеме на погасание или на вращение света.

Рис. 35-1. Векторные диаг-

раммы напряжений сети U

и генератора U

при идеаль-

ных условиях включения на

параллельную работу

Схема синхронизации на погасание света представлена на рис. 35-2, а,

где слева изображен генератор /7, у же работающий на шины станции

и сеть, а справа — включаемый на параллельную работу генера-

тор Г2 с вольтметром V, вольтметровым переключателем Я и с лам-

Рис. 35-2. Схема синхронизации генератора с помощью лампо-

вых; синхроноскопов с включением на погасание (а) н враще-

ние (б) света

повым синхроноскопом С, каждая из ламп 1,2,3 которого включена

между контактами одной и той же фазы или полюса выключателя В2.

При соблюдении приведенных выше условий и равенства (35-1)

напряжения на всех лампах одновременно равны нулю и Лампы не

светятся, что и указывает на

возможность включения гене-

ратора" Г2 с помощью выклю-

чателя В2 на параллельную

работу.

Достичь точного равенства

частот /

= /с в течение даже

небольшого промежутка вре-

мени практически невозможно

(рис. 35-3, а), и поэтому на-

пряжения U

— U

на лампах

1, 2, 3 (рис. 35-2, а) пуль-

сируют с частотой /

— /

(рис. 35-3), и если эта частота мала, то лампы загораются и по-

гасают с такой же частотой. Частота /

— /

соответствует частоте

пульсаций напряжения (штриховые кривые на рис. 35-3, б). Путем

регулирования частоты генератора необходимо добиться того,

чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальна

Рис. 35-3. Кривые изменения во времени

напряжений генератора «

, сети «

ламп u

— «

при неравенстве частот

сети и генератора

(период 3—5 сек), и произвести затем включение выключателя В2

в момент времени, когда лампы не горят.

При малой частоте лампы погасают раньше, чем напряжение

достигнет нуля, и загораются также при U > 0. Поэтому при

схеме рис. 35-2, а трудно выбрать правильный момент включения.

В этом отношении лучшей является схема рис. 35-2, б, в которой

лампа 1 включена так же, как на схеме рис. 35-2, а, а лампы 2 и 3 —

между различными фазами генератора и сети. Поэтому в данном

случае при соблюдении перечисленных выше условий и равен-

ства (35-1) лампа 1 не светится, а лампы 2 и 3 находятся под линей-

ным напряжением и светятся с одинаковой яркостью, что и является

критерием правильности момента включения. При /

—

Д.

ф 0

лампы 1, 2

та

3 (рис. 35-2, б) загораются и погасают поочередно, и

создается впечатление вращающегося света, причем при Д. > Д.

вращение происходит в одну сторону, а при Д. < Д. — в другую.

Частота вращения света равна/

— Д., и необходимо добиться, чтобы

она была минимальна (период 3—5 сек).

Отметим, что если при осуществлении схемы рис. 35-2, а вместо

одновременного погасания и загорания всех трех ламп получится

вращение света, а при схеме рис. 35-2, б — одновременное погасание

и загорание ламп, то это будет указывать на неправильность чере-

дования фаз генератора и сети. При этом необходимо поменять

местами начала двух фаз обмотки статора генератора.

Для более точного выбора момента включения параллельно

одной из ламп рис. 35-2, а включают вольтметр, имеющий растяну-

тую шкалу в области нуля (нулевой вольтметр).

Другие методы синхронизации. Синхронизация с помощью ламп

и нулевого вольметра применяется только для генераторов малой

мощности. Для мощных генераторов пользуются электромагнитным

синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и

сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного

поля, и при Д Ф Д. его стрелка вращается с частотой Д. —

Д.

в ту

или иную сторону в зависимости от того, какая частота больше.

При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обра-

щена вертикально вверх.

При высоком напряжении приборы синхронизации включаются

через трансформаторы напряжения. При этом необходимо позабо-

титься о том, чтобы фазировка (чередование фаз) этих трансформа-

торов была правильной.

Синхронизация генераторов является весьма ответственной опе-

рацией и требует от эксплуатационного персонала большого вни-

мания. В особенности это важно в случае различных аварий, когда

персонал работает в напряженной обстановке. В то же время именно

при авариях необходима максимальная оперативность в производ-

стве различных переключений и в синхронизации резервных

или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт пока-

зывает, что наибольшее количество ошибочных действий персонала

падает как раз на период аварий.

Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы

пользуются автоматическими синхронизаторами, которые осуще-

ствляют автоматическое регулирование U

и /

синхронизируемых

генераторов в нужных направлениях и при достижении необходи-

мых условий автоматически включают генераторы на параллель-

ную работу. Однако подобные автоматические синхронизаторы

также обладают недостатками (сложность, необходимость непре-

рывного и квалифицированного обслуживания и т. д.). К тому же

хронизации, нли с а -

Рис. 35-4. Кривые изменения токов турбо- мосинхронизации.

генератора мощностью 100 Мет при вклю- Сущность метода само-

чении в сеть методом самосинхронизации синхронизации заключается

чается в сеть в невозбужденном состоянии (U

= 0) при ско-

рости вращения, близкой к синхронной (допускается отклоне-

ние до 2%). При этом отпадает необходимость в точном вырав-

нивании частот, величины и фазы напряжений, благодаря 'чему

процесс синхронизации предельно упрощается и возможность оши-

бочных действий исключается. После включения невозбужденного

генератора в сеть немедленно включается ток возбуждения и гене-

ратор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синх-

ронной и становится /

.= /

При самосинхронизации неизбежно возникновение значитель-

ного толчка тока, так как включение невозбужденного генератора

в сеть с напряжением U

эквивалентно внезапному короткому замы-

канию этого генератора при работе на холостом ходу с Е = U

Однако толчок тока при самосинхронизации будет все же меньше,

так как, кроме сопротивления генератора, в цепи будут действовать

также сопротивления элементов сети (повышающие трансформаторы,

во время аварий напряжение

и частота в системе нередко

беспрерывно и быстро меняют-

ся и поэтому процесс синхро-

низации с помощью автомати-

ческих синхронизаторов силь-

но затягивается (до 5—10 мин

и даже более), что с точки

зрения ликвидации аварии

крайне нежелательно. Вслед-

ствие сказанного в СССР в по-

следние годы широко внедрен

метод грубой син-

в том, что генератор вклю-

линия и т. д.). Кроме того, включение генератора производится при

включенном сопротивлении гашения поля, что также снижает вели-

чину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных

токов.

По действующим в СССР правилам метод самосинхронизации

можно применять в случаях, когда толчок тока не будет превышать

3,5 /

. В большинстве случаев это условие выполняется. На рис. 35-4

представлены кривые, относящиеся к включению в сеть методом са-

мосинхронизации турбогенератора мощностью 100 Mem.

§ 35-2. Синхронные режимы параллельной работы

синхронных машин

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при

синхронной скорости вращения называется синхронным.

Рассмотрим особенности этого

режима подробнее, причем предпо-

ложим для простоты, что сеть,

к которой приключена рассматри-

ваемая машина, является бесконеч-

но мощной, т. е. в ней U~== const и

f = const. Практически это озна-

чает, что суммарная мощность всех

приключенных к этой сети синхрон-

ных генераторов настолько велика

по сравнению с мощностью приклю-

чаемой машины, что изменение ре-

жима работы машины не влияет

на напряжение и частоту сети.

Напряжение параллельно рабо-

тающего генератора равно напря-

жению сети на зажимах генератора.

Для простоты предположим также,

что включаемая на параллельную

работу машина является неявно-

полюсной и сопротивление якоря

= 0. Тогда, согласно диаграмме

рис. 33-4, ток якоря машины опре-

деляется простой зависимостью

Ё-U Ь.0

ЛU—jxrfl

^ u=jx(ji

в)

6=0 £

r=r=-t

i*d l*d'

(35-2)

Рис. 35-5. Векторные диаграммы

неявнополюсной синхронной маши-

ны при работе в режиме компенса-

тора (а, б), генератора (в) и дви-

гателя (г)

Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компен-

сатора. Предположим, что при включении на параллельную ра-

боту изложенные в § 35-1 условия синхронизации возбужденного

генератора были соблюдены в точности, т. е. 0

= 0

или Е =

= Ос = О. Тогда, согласно равенству (35-2), / = 0, т. е. машина

не примет на себя никакой нагрузки.

Предположим теперь, что ток возбуждения после синхронизации

был увеличен и поэтому Ё> О. Тогда (рис. 35-5, а) возникает ток /

[см. равенство (35-2)], отстающий от At/, а также от Ё и О на 90°.

Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный

ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить,

так что Ё < О (рис. 35-5, б), то ток / также будет отставать от ДС7

на 90°, но будет опережать Ё и О на 90°, т. е. машина будет отда-

вать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощ-

ность.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной

машины вызовет в ней только реактивные токи или изменение

реактивного тока и реактивной мощности. При Е > U синхрон-

ная машина называется перевозбужденной, а при

Е < U — недовозбужденной. При равенстве актив-

ной мощности нулю перевозбужденная синхронная машина по

отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная —

индуктивности.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загру-

женная реактивным током, называется синхронным ком-

пенсатор-ом. Такие компенсаторы применяются для повы-

шения коэффициента мощности и поддержания нормального

уровня напряжения в сетях.

Если, например, такой компенсатор установить в районе боль-

шой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет

снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий ре-

активной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических

станций будут полностью или частично разгружены от этой мощно-

сти, коэффициент мощности генераторов и сети повысится, потери

мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение

сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и двигателя.

Из сказанного выше следует, что изменение тока возбуждения

не вызывает появления активной нагрузки или ее изменения.

Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на

себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необ-

ходимо увеличить движущий механический вращающий момент

на ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара

в турбину.

Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора,

а следовательно, и вектор э. д. с. генератора Ё забегут вперед на