Курсовая работа: Синхронные машины

где х_рас + х_я = х -- индуктивное сопротивление фазной обмотки статора, называемое синхронным реактивным (индуктивным) сопротивлением. У синхронной машины с ненасыщенным магнитопроводом это -- относительно постоянная величина.

6. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И УПРОЩЕННАЯ ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ФАЗЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Уравнению электрического состояния фазы статора синхронного генератора (15.3) соответствует схема замещения на рис. 15.4, а.

Построим теперь векторную диаграмму фазы синхронного генератора. Для этого выберем в качестве исходного вектор основного магнитного потокосцепления ш₀, который направим влево по оси абсцисс (рис. 15.4, б). Вектор ЭДС E₀, индуктируемой потокосцеплением ш₀, отстает от вектора ш_о на 90°. Вектор тока статора (якоря) I отстает от Е_о на угол ц₀, определяемый соотношением реактивных и активных сопротивлений:

где х_я и r_н -- индуктивное и активное сопротивления цепи нагрузки генератора. Вектор напряжения r_вi совпадает по направлению с вектором тока i, а вектор напряжения jxЭ опережает этот вектор на 90°. Чтобы определить положение вектора напряжения U между выводами фазной обмотки генератора, вычтем из вектора Л_о сумму векторов напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, фазной обмотки: U = Е_о -- jxЭ -- rЭ. Соединив концы векторов Л_о и U, получим треугольник напряжений на активном и индуктивном сопротивлениях фазы генератора с гипотенузой Z_o6I.

Отметим, что для наглядности диаграммы мы преувеличиваем значение вектора напряжения ri.

7. НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ И КПД СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Энергетический баланс синхронного генератора можно пояснить с помощью его векторной диаграммы (рис. 15.4, б). Вектор Л_о и его составляющие проектируем на направление вектора тока i; тогда активная составляющая ЭДС

Это уравнение умножим на действующее значение тока I и таким путем преобразуем (15.5) в уравнение электрической мощности для одной фазы генератора:

Оно показывает, что электрическая мощность статора Р_эс складывается из мощности потерь в проводах якоря Р_пр и электрической мощности Р, с которой генератор отдает энергию в сеть. Но помимо мощности потерь в проводах в генераторе имеют место еще и мощность механических потерь Р_мп и мощность потерь на гистерезис и вихревые токи в электротехнической стали Р_с статора и полюсных башмаков.

Из уравнения (15.6) видно, что мощность этих потерь покрывается не за счет электрической мощности, а непосредственно за счет механической мощности первичного двигателя. Соответствующая энергетическая диаграмма синхронного генератора показана на рис. 15.5.

Кроме того, в синхронном генераторе имеют место потери энергии на возбуждение. Мощность потерь на возбуждение генератора равна мощности возбудителя постоянного тока Р_воз.

Мощность возбудителя составляет примерно 0,3--1 % номинальной мощности для больших генераторов. Мощность всех потерь энергии в генераторе делится на мощность постоянных потерь, почти не зависящую от нагрузки, и мощность переменных потерь, изменяющуюся в зависимости от нагрузки. Мощность постоянных потерь Р_пос равна сумме мощностей потерь механических, возбуждения и в электротехнической стали; мощность переменных потерь Р_пер равна мощности потерь в проводах.

Электрическая мощность генератора, выраженная через фазные напряжения и ток, Р = 3UI cos ц, при одном и том же токе зависит от cos ц нагрузки. Но сечения проводников обмоток генератора рассчитываются на определенное значение тока, а его изоляция и сечение магнитной цепи -- на определенное напряжение U; следовательно, эти величины выбираются независимо от cos ц нагрузки.

По этой причине подобно трансформаторам номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S = UI, измеряемая в киловольт-амперах. Было бы нецелесообразно соединять генератор с турбиной, рассчитанной на его полную мощность S (деленную на его КПД), так как почти всегда cos ц < 1. Поэтому турбина к генератору обычно имеет несколько меньшую мощность, чем полная мощность генератора (например, из расчета cos ц = 0,8).

Мощность генератора пропорциональна его объему, поэтому с увеличением номинальной мощности генератора уменьшается поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу мощности, вследствие чего приходится создавать усиленное охлаждение искусственным путем посредством вентиляции машины. В крупных турбогенераторах количество воздуха, необходимого для вентиляции, весьма велико. В час для охлаждения машины требуется примерно столько воздуха, сколько весит сама машина.

Для генераторов мощностью более 25 000 кВ-А обычно применяется водородное охлаждение. Преимущества такого охлаждения определяются тем, что водород легче воздуха в 14 раз, его теплоемкость больше в 14 раз, теплопроводность -- в 7 раз, а коэффициент теплоотдачи водородом с охлаждаемой поверхности -- в 1,35 раза.

Коэффициент полезного действия генератора равен отношению мощности генератора, включенного в сеть, к мощности первичного двигателя; последнюю удобно представить как сумму мощности генератора и мощности всех видов потерь в машине; следовательно,

Уравнение КПД показывает, что с уменьшением нагрузки КПД также уменьшается. На рис. 15.6 приведены графики зависимости КПД генератора от нагрузки при различных значениях cos ц. С увеличением номинальной мощности генераторов возрастают КПД как самого генератора, так и его первичного двигателя.

8. РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Трехфазная электрическая система большой мощности представляет собой большое число трехфазных источников и трехфазных потребителей электрической энергии, работающих параллельно.

Можно считать, что частичное изменение числа источников и потребителей электрической энергии в мощной системе не влияет на режим ее работы. Поэтому действующее значение напряжения на общих шинах системы, так же как частоту, можно всегда считать постоянными величинами.

На рис. 15.7 приведена эквивалентная схема замещения фазы мощной системы, содержащей источник бесконечной мощности Л и нагрузку системы Z_н. На этом же рисунке показана эквивалентная схема замещения фазы синхронного генератора без учета активного сопротивления фазной обмотки, который подключен к общим шинам системы.

Если пренебрегать активным сопротивлением фазной обмотки, то уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора будет иметь вид:

Процессы, происходящие в синхронном генераторе, подключенном к мощной электрической системе, иллюстрирует векторная диаграмма (рис. 15.8).

Построение такой диаграммы .удобно начать с вектора напряжения на шинах мощной системы Л = U, направив его вверх по оси ординат.

Это напряжение уравновешивается частью ЭДС Л _о фазной обмотки статора, индуктируемой в ней потокосцеплением ш₀. Прибавив в вектору U вектор jxЭ перпендикулярный Э, получим вектор Ё_о.

Положение вектора потокосцепления ш₀ на векторной диаграмме определяется тем, что он опережает индуктируемую им ЭДС Л ₉, на угол 90°.

Так как jxЭ = -Л _рас - Л _р,я, т. е. равно сумме ЭДС, индуктируемых потокосцеплениями рассеяния и реакции якоря, то уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора (15.8) можно записать так:

Напряжение фазы синхронного генератора равно сумме ЭДС, индуктируемых в фазной обмотке тремя потокосцеплениями ш₀, ш_рас и ш_р,_я. Но физически эти потокосцепления образуют одно результирующее потокосцепление с фазной обмоткой ш = ш₀ + ш_рас +ш_р,я

Следовательно, можно считать, что напряжение между выводами фазы синхронного генератора равно ЭДС, индуктируемой результирующим потокосцеплением ш с фазной обмоткой.

Это определяет направление вектора ш, который должен опережать по фазе вектор U = Л на 90°. Направление векторов ш_рас. и ш_р,я совпадает с направлением вектора Э.

Углы и сдвига фаз между векторами Л_о и U между векторами ш₀ и ш равны между собой. Значение угла сдвига фаз и принято отсчитывать от направления векторов Л_о и ш₀

Для синхронной машины, работающей в режиме генератора, значение этого угла всегда меньше нуля (и < 0).

Сдвигу фаз и между векторами потокосцеплений соответствует пространственный сдвиг на угол Ыр между осями полюсов ротора и направлением результирующего магнитного поля синхронного генератора (рис. 15.9).

Из анализа векторной диаграммы следует, что действующее значение результирующего потокосцепления с фазной обмоткой синхронного генератора, подключенного к мощной электрической системе U = const, является постоянной величиной (ш = const) и не зависит от нагрузки.

9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ И УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Проанализируем зависимость электрической мощности Р и электромагнитного момента М_эмсинхронного генератора от угла и < 0. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (см. рис. 15.8).

Электрическая мощность всех трех фаз синхронного генератора равна:

Построим на векторе Л_о, как на гипотенузе, прямоугольный треугольник, частью катета которого будет U.

Второй катет этого треугольника, противолежащий углу в,

на основании той же диаграммы Е_о cos ц₀ = U cos ц, что дает возможность выразить электрическую мощность синхронного генератора в следующей форме:

Электромагнитный момент, создаваемый взаимодействием тока якоря с магнитным полем машины, связан с ее электрической мощностью известным простым соотношением:

где синхронная угловая скорость ротора

на основании чего

Так как напряжение U и частота f в мощной электрической системе постоянны, то мощность и электромагнитный момент синхронного генератора при постоянном токе возбуждения зависят только от угла | и |. Эта зависимость синусоидальна, она называется угловой характеристикой синхронного генератора (рис. 15.10); для мощности и электромагнитного момента она отличается лишь масштабом.

Угловые характеристики позволяют проанализировать процессы, происходящие в синхронном генераторе при изменении нагрузки.

Работа, совершаемая первичным двигателем, преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. При увеличении создаваемого первичным двигателем вращающего момента, М > М_д1 = М_эм1 (точка 1) ротор машины вследствие сообщаемого ему ускорения увеличивает угол | и |. После нескольких колебаний около синхронной угловой скорости равновесие вращающего момента первичного двигателя и тормозного электромагнитного момента генератора восстанавливается (М_д2 = М_эм2, точка 2) при новом значении угла | и₂ | > | и₁ |.

Работа синхронного генератора устойчива при изменении угла | в | в пределах 0 -- р/2. Значению | и | = р /2 соответствуют максимальная электрическая мощность

и максимальный электромагнитный момент

Значение р/2 -- | и | определяет запас устойчивости синхронного генератора.

Область значений | и | > р/2 соответствует неустойчивой работе синхронного генератора. В этих условиях вращающий момент первичного двигателя М_Д превышает максимальный тормозной электромагнитный момент генератора. Избыток вращающего момента (М_Д > М_эм) создает дальнейшее ускорение ротора, что обусловливает дальнейшее возрастание | е | и новое уменьшение тормозного момента и т. д., пока генератор не выпадет из синхронизма.

Чтобы восстановить запас устойчивости р/2 -- | и | синхронного генератора при увеличенной нагрузке, необходимо увеличить ток возбуждения (точка 3).

10. U-ОБРАЗНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Ценной особенностью синхронного генератора, подключенного к электрической системе большой мощности, является возможность регулирования его реактивного тока посредством изменения тока возбуждения. Чтобы пояснить это, обратимся к векторной диаграмме фазы синхронного генератора (см. рис. 15.8) и проанализируем ее с этой точки зрения (рис. 15.11). Если мощность синхронного генератора Р = щ_рМ_эм и напряжение на шинах электрической системы U постоянны, то значения произведений сомножителей в (15.10)

не зависят от тока возбуждения. Однако при изменении тока возбуждения , изменяются значения создаваемого им потокосцепления с фазной обмоткой статора ш_o и индуктированная этим потокосцеплением в фазной обмотке ЭДС Л₀.