Курсовая работа: Синхронные машины

Из уравнения электрического состояния фазы статора (15.8) следует, что это возможно только при соответствующем изменении тока Э = Э_а + Э _р в фазной обмотке, а именно реактивной составляющей тока Э _р.

При токах возбуждения меньше (больше) некоторого граничного значения I_в < I_в.гр (Р) (I_в > I_в._гр) ток синхронного генератора имеет емкостную I_рС (индуктивную I_pL) реактивную составляющую ц < 0 (ц > 0) (рис. 15.11). Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность генератора имеет емкостный, Q_c = 3UIp_C (индуктивный, Q_L = = 3UI_pL), характер.

Если синхронный генератор подключен к электрической системе большой мощности U = const, то его эквивалентную схему замещения можно представить в виде параллельного соединения двух источников тока: источника активной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя, /I_а (М_я), и источника реактивной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя и тока возбуждения, I_р (I_в, М_д).

В частном случае, если момент первичного двигателя равен нулю (М_д = 0), то в схеме замещения фазы синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности, источник активной составляющей тока генератора отсутствует, а ток источника реактивной составляющей зависит только от тока возбуждения I_р (I_в).

Зависимость тока статора, подключенного к системе большой мощности U = const, от тока возбуждения I (I_р) при постоянном моменте первичного двигателя М_Д = const называется U-образной характеристикой синхронного генератора (рис. 15.12).

При некотором малом значении тока возбуждения угол | и | (рис. 15.10) может превысить значение р/2 и устойчивость работы синхронного генератора нарушится. Чем больше значение активной мощности синхронного генератора, тем при больших значениях тока возбуждения наступит потеря устойчивости. На рис. 15.12 граница устойчивости синхронного генератора показана штриховой линией.

Если момент первичного двигателя равен нулю: М_л = 0, то, пренебрегая всеми видами потерь, можно считать, что ток синхронного генератора является только реактивным (рис. 15.12, Р -- 0):

Ток генератора в этом случае зависит линейно от тока возбуждения. Линейность зависимости I (I_в) нарушается лишь при больших значениях тока возбуждения вследствие насыщения магнитопровода машины.

11. РЕГУЛИРОВАНИЕ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Активная мощность Р = 3UI_а синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности (U = const), регулируется мощностью первичного двигателя Р_мех = щ_рМ_д. При увеличении мощности первичного двигателя, т. е. вращающего момента первичного двигателя М_д (паровой или гидравлической турбины), увеличивается активная составляющая тока генератора I_а (М_д), одновременно с этим увеличивается и угол | и |, что понижает запас устойчивости р/2 -- | и | генератора. Для того чтобы синхронный генератор не терял запаса устойчивости при увеличении активной мощности, необходимо увеличивать ток возбуждения.

Промышленные синхронные генераторы электрической энергии снабжены специальной регулирующей аппаратурой, с помощью которой при изменении активной мощности генератора обеспечивается требуемый запас устойчивости.

Реактивная мощность синхронного генератора Q = 3UI sin ц, подключенного к системе большой мощности (U = const), при постоянной активной мощности Р = const регулируется изменением тока возбуждения I_в. Если значение тока возбуждения равно I_в.гр (P), то реактивная мощность синхронного генератора равна нулю. При значениях тока возбуждения I_в > I_в, _гр (I„ <I_в, _гр) реактивная мощность синхронного генератора имеет индуктивный характер; Q_L = = 3UI_pL (емкостный характер: Q_c = 3UI_pC).

Обычно режим возбуждения синхронных генераторов соответствует индуктивной реактивной мощности, необходимой для работы асинхронных двигателей.

12. ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ С СИСТЕМОЙ

Включение синхронного генератора на параллельную работу с системой связано с рядом трудностей. Применяются два способа такого включения: точная синхронизация и самосинхронизация. Рассмотрим способ точной синхронизации.

При включении на параллельную работу с системой (рис. 15.13) синхронного генератора способом точной синхронизации мгновенное значение фазной ЭДС генератора, например е_А1, должно быть равно и соответствовать по направлению в любой момент времени мгновенному значению соответствующего напряжения фазы системы е_А.

Из этого требования вытекают следующие условия включения: ЭДС фазы включаемого генератора должна иметь одинаковое действующее значение с фазным напряжением системы, частоту, равную частоте системы, фазу, соответствующую фазе фазного напряжения системы, наконец, чередование фаз генератора должно соответствовать чередованию фаз системы. Предварительное синхронизирование. включаемого генератора осуществляется следующим образом. Ротор генератора доводится примерно до синхронной угловой скорости, и его возбуждение регулируется так, чтобы вольтметр на выводах машины показал значение, равное напряжению сети. При этом последовательность фаз генератора должна соответствовать последовательности фаз системы. Однако перед включением на параллельную работу необходимо более точное регулирование частоты машины и в особенности ее фазной ЭДС. В качестве указателей для такого точного регулирования служат синхроноскопы. В простейшем виде сонхроноскоп составляется из ламп накаливания, часто называемых в таких случаях фазоиндикаторными лампами.

На рис. 15.13 эти лампы включены между шинами системы и одноименными (А -- А₁, В -- В₁, С -- С₁) в отношении последовательности фаз выводами генератора («включение на потухание»).

На рис. 15.14 показаны кривые мгновенных значений фазного напряжения и_А = е_А системы, фазной ЭДС е_А1 включаемого на параллельную работу генератора и результирующего напряжения и_АА1 = -- е_A -- e_A1- Пока нет точного совпадения частоты генератора и системы в контуре включаемого генератора, действующее значение результирующего напряжения между контактами выключателя будет то снижаться до нуля, то повышаться до двойного значения фазного напряжения системы, в результате чего лампы будут то гаснуть, то вновь загораться. Чем больше частота генератора будет приближаться к частоте системы, тем медленнее будут происходить колебания света фазоиндикаторных ламп; они будут загораться и гаснуть на относительно длительные сроки. Нужно достичь возможно более точного совпадения частот, при котором промежутки времени между следующими друг за другом вспышками ламп будут достаточно велики (не менее 3--5 с), после чего в момент полного потухания ламп замкнуть рубильник.

Сущность метода самосинхронизации состоит в том, что генератор включается на сеть без возбуждения, когда его частота вращения отличается от синхронной на 2--3 %. Обмотка ротора (обмотка возбуждения) во время такого включения должна быть замкнута на некоторый резистор или накоротко. После включения генератора обмотка ротора подключается к источнику постоянного тока возбуждения и генератор синхронизируется под действием электромагнитных сил.

Так как в момент включения частота вращения генератора не равна синхронной и он не возбужден, то возникает скачок тока в обмотке статора; значение этого кратковременного тока может в несколько раз превышать номинальный ток генератора. Но, как показывает опыт, ни этот ток, ни возникающие при этом механические усилия на валу генератора не опасны для агрегата (турбогенератора или гидрогенератора). Метод самосинхронизации применяется для генераторов мощностью до 50 MB-А.

После включения генератора на параллельную работу с системой большой мощности при всяком случайном отклонении от синхронного вращения в обмотке статора генератора возникают дополнительные токи. Их взаимодействие с магнитным полем ротора создает дополнительные силы, восстанавливающие синхронное вращение.

13. УРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ФАЗЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В отличие от синхронного генератора в синхронном двигателе ось полюсов ротора отстает от оси полюсов вращающегося магнитного поля статора (см. рис. 15.3, б).

Возникающий при этом электромагнитный момент равен противодействующему тормозному моменту на валу двигателя М_эм = M_тop. В синхронном двигателе осуществляется преобразование электрической энергии в механическую.

На рис. 15.15 приведена схема замещения фазы синхронного двигателя, подключенного к электрической системе большой мощности (U = const). Эта схема замещения совпадает со схемой замещения фазы синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности (см. рис. 15.7), с той разницей, что в первом случае электрическая энергия поступает из системы в двигатель, а во втором случае электрическая энергия поступает из генератора в систему.

Из схемы замещения фазы синхронного двигателя следует уравнение электрического состояния фазы синхронного двигателя

где Л_о = jщш_o, х = x_рас + x_я совпадают по своему физическому смыслу с аналогичными понятиями, обсуждавшимися при анализе синхронного генератора (см. § 15.5).

Уравнению электрического состояния (15.16) соответствует векторная диаграмма фазы синхронного двигателя на рис. 15.16. На векторной диаграмме сдвиг фаз и соответствует геометрическому углу между осью полюсов ротора и осью результирующего магнитного поля синхронного двигателя, деленному на число пар полюсов.

Для синхронной машины, работающей в режиме двигателя, значение угла 6 всегда больше нуля (и > 0).

14. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ И УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Электрическая мощность трехфазного синхронного двигателя определяется подобно мощности трехфазного синхронного генератора (15.9) и равна:

где для синхронного двигателя и > 0.

Преобразуя (15.17) аналогично (15.9) и учитывая, что и > 0, получим выражение для электромагнитного момента синхронного двигателя, совпадающее с выражением электромагнитного момента синхронного генератора (15.11):

Так как механическая мощность синхронного двигателя равна Р_мех = Р = М_эмщ_р, то, учитывая (15.18), получим:

Напряжение U и частота f в электрической системе большой мощности являются постоянными величинами. Учитывая это обстоятельство, можно сделать вывод, что значения электромагнитного момента М_эя и мощности Р синхронного двигателя, подключенного к такой системе, при постоянном токе возбуждения I_в = const зависят только от угла 6.

Такие зависимости М_ьа (б) и Р (0) называются угловыми характеристиками синхронного двигателя и имеют вид, аналогичный угловым характеристикам синхронного генератора (см. рис. 15.10).

Угловые характеристики позволяют анализировать процессы, происходящие в синхронном двигателе при изменении нагрузки.

При увеличении тормозного момента на валу синхронного двигателя

ротор машины замедляет частоту своего вращения и значения угла и и электромагнитного момента М_эм начинают возрастать. Равновесие тормозного и электромагнитного моментов восстановится (M_тор2 = М_зм2) через некоторый промежуток времени при новом значении угла и₂ > и_1.

Для того, чтобы сохранить запас устойчивости р/2 -- и при возросшем тормозном моменте, необходимо увеличить ток возбуждения.

15. U-ОБРАЗНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Значение тока возбуждения влияет не только на запас устойчивости синхронного двигателя, но и на его реактивный ток. Чтобы проанализировать эту зависимость, воспользуемся векторной диаграммой фазы синхронного двигателя, подключенного к системе большой мощности (U = const), приведенной на рис. 15.16. При постоянном тормозном моменте на валу синхронного двигателя M_тор = M_эм его мощность Р = M_эмщ_р постоянна, следовательно, из (15.18) и (15.19) значения произведений сомножителей

всегда постоянны и не зависят от тока возбуждения.

На рис. 15.17 приведена совокупность векторных диаграмм фазы синхронного двигателя с постоянным тормозным моментом M_тор = const при различных токах возбуждения I_в = var. При уменшении тока возбуждения I_в (потокосцепления возбуждения 40) угол 8 возрастает до тех пор, пока синхронный двигатель не потеряет устойчивость.

Из векторных диаграмм следует, что значение и характер тока статора синхронного двигателя Э = Э _а + Э _р зависят от тока возбуждения I_в. При токах возбуждення, меньших (больших) некоторого граничного значения

ток статора I имеет индуктивную I_pL, (емкостную I_pс) реактивную составляющую ц > 0 (ц < 0) . Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность синхронного двигателя имеет индуктивный Q_L = 3UI_{p L} (емкостный Q_c = 3UI_{p c}) характер.

В соответствии с этим фазу синхронного двигателя, подключенного к электрической системе большой мощности, можно представить в виде эквивалентной схемы замещения, состоящей из параллельного соединения эквивалентного резистивного элемента, сопротивление которого зависит от тормозного момента r = U/I_a = F(M_тор), к эквивалентного индуктивного (емкостного) элемента, индуктивность (емкость)которого зависит от тормозного момента и тока возбуждения: