Гардин А.И. НГТУ Учебник по электрическим машинам - файл n4.doc

Гардин А.И. НГТУ Учебник по электрическим машинам
скачать (2256.3 kb.)
Доступные файлы (7):
n1.doc85kb.18.06.2008 16:16скачать
n2.doc1109kb.24.06.2008 00:52скачать
n3.doc2033kb.13.02.2008 01:25скачать
n4.doc1455kb.13.02.2008 01:25скачать
n5.doc746kb.13.02.2008 01:25скачать
n6.doc51kb.13.02.2008 01:25скачать
n7.doc62kb.13.02.2008 01:25скачать

n4.doc

1   2   3   4   5   6
б) Успокоительная обмотка.

 Успокоительной (или демпферной) обмоткой называется короткозамкнутая обмотка, помещенная на роторе. В явнополюсной машине успокоительная обмотка обычно выполняется в виде стержней, заложенных в пазы полюсных наконечников и соединенных на торцовых сторонах пластинами. Если пластины с торцовых сторон соединяют стержни лишь в пределах полюсной дуги, то получается продольная успокоительная обмотка (рис. 4-45). Если пластины при этом соединяются в кольца, размещенные вдоль всей окружности ротора, то получается продольно-поперечная обмотка (рис. 4-46).



Рис. 4-45. Продольная успокоительная обмотка.



Рис. 4-46. Продольно-поперечная успокоительная обмотка.

При наличии успокоительной обмотки продольно пульсирующая н.с. будет уравновешиваться главным образом токами в этой обмотке. Тем самым обмотка возбуждения почти совершенно освобождается от токов двойной частоты. (В данном случае можно провести аналогию с трехобмоточным трансформатором, имеющим одностороннее расположение вторичных обмоток. При замыкании накоротко вторичной обмотки, расположенной рядом с первичной, ток, наведенный в другой вторичной обмотке, замкнутой накоротко, будет очень мал (см. § 2-16).) При наличии короткозамкнутых контуров по поперечной оси будет также ослабляться действие поперечно пульсирующей н.с.

Успокоительная обмотка должна иметь небольшие активное и индуктивное сопротивления — только в этом случае ее действие будет достаточно эффективным.

Современные турбогенераторы отечественных заводов не имеют на роторе особых успокоительных обмоток. Здесь роль успокоительной обмотки выполняют контуры вихревых, токов, наведенных обратным полем в массивном роторе Они оказывают сильное заглушающее действие.

 в) Параметры синхронной машины при несимметричной нагрузке.

 Для обычных случаев, когда статорная обмотка генератора симметрична, э.д.с. холостого хода , наведенные в фазах, образуют симметричную звезду векторов. Они, как указывалось ранее, могут быть найдены при помощи векторных диаграмм по э.д.с. , которые также образуют симметричную звезду векторов, так как эти э.д.с. наводятся потоком воздушного зазора, созданным результирующей н.с. обмотки возбуждения и прямо-синхронной н.с. статора (от токов прямой последовательности). Действие прямо-синхронной н.с. статора и представляет собой реакцию якоря, которую мы можем учесть, например для фазы а э.д.с. . Для ненасыщенного неявнополюсного генератора .

Токи прямой последовательности вызовут в фазах статорной обмотки падения напряжения:



при Z? = rа + jx?, где rа и х? — активное и индуктивное сопротивления рассеяния.

Полю, вызванному обратной н.с. от токов обратной последовательности, соответствует индуктивное сопротивление x2 для этих токов. Оно называется индуктивным сопротивлением обратной последовательности. Сопротивление х2 будет изменяться в соответствии с изменением магнитной проводимости для обратно вращающегося поля, причем здесь имеется в виду проводимость индукционных трубок этого поля с учетом его оттеснения под действием токов, наведенных в контурах ротора.

Можно принять с некоторым приближением, что x2 пропорционально среднему значению проводимостей обратно вращающегося поля, получающихся при совпадении его оси с продольной и поперечной осями ротора. Очевидно, что х2 > х?, так как токи обратной последовательности наряду с полем рассеяния, аналогичным полю рассеяния от токов прямой последовательности, создают также поле внутри статора.

Активное сопротивление обратной последовательности r2 также отличается от сопротивления r1 = rа. Оно обусловлено не только электрическими потерями в обмотке статора и потерями, вызванными полями рассеяния (что мы имеем для rа), но и потерями в электрических цепях ротора от токов, наведенных обратным полем.

Токи обратной последовательности вызовут в фазах статорной обмотки падения напряжения:



где .

При наличии в обмотке статора токов нулевой последовательности, которые могут иметь место только при соединении обмотки в звезду и при использовании нулевого провода, эти токи будут вызывать падения напряжения:



где .

Сопротивления  — сопротивления нулевой последовательности.

Пренебрегая высшими гармониками н.с. отдельных фаз, созданных токами нулевой последовательности, получим, что их результирующая н.с. равна нулю. Следовательно, токи нулевой последовательности не будут создавать поля внутри статора. Будет возникать только поле рассеяния. Но оно отличается от поля рассеяния токов прямой последовательности вследствие различия взаимной индукции фаз. Сопротивление r0  r1; сопротивление х0 обычно меньше х?. Оно в большой степени зависит от укорочения шага обмотки, а также от расположения ее лобовых частей.

 г) Уравнения напряжений при несимметричной нагрузке.

 Для напряжений, например, фазы а мы может написать следующее уравнение:

.          (4-34)

Напряжения фаз равны:

          (4-35)

Линейные напряжения при соединении фаз в звезду:

          (4-36)

Сопоставляя уравнение (4-34) и первое уравнение (4-35), можем написать:

          (4-37)

Из (4-35), (4-36) и (4-37) следует, что симметрия фазных напряжений нарушается из-за наличия составляющих обратной и нулевой последовательностей, а симметрия линейных напряжений — только из-за наличия составляющих обратной последовательности, причем указанные составляющие напряжений вызваны токами соответствующих последовательностей.

д) Допустимые значения тока обратной последовательности.

 Токи нулевой последовательности в значительно меньшей степени влияют на условия работы синхронной машины, чем токи обратной последовательности. Поэтому приходится считаться главным образом с влиянием последних.

Выясним допустимое значение тока обратной последовательности, во-первых, в отношении нарушения симметрии линейных напряжений и, во-вторых, в отношении нагревания ротора.

Рассмотрим первое. При несимметричной нагрузке линейные напряжения состоят из напряжений прямой и обратной последовательностей, причем напряжение обратной последовательности согласно предыдущему равно: .

Можно приближенно принять z2 = x2; тогда, считая, что напряжение прямой последовательности U1, равно номинальному напряжению генератора Uн, будем иметь:

.

Выражая сопротивление x2 в относительных единицах , получим:



где  — коэффициент несимметрии напряжений.

Если принять максимальное допустимое значение этого коэффициента равным 0,05, то ( Ранее указывалось, что длительная работа трехфазных асинхронных двигателей даже при U2/U1 = 0,05 может представлять для них опасность (см. § 3-21,в).)

Для явнополюсных генераторов без успокоительной обмотки обычные значения  = 0,35  0,65; следовательно, для таких генераторов получим:

Для генераторов с достаточно совершенной продольно-поперечной успокоительной обмоткой (к ним можно отнести и турбогенераторы)  = 0,15  0,25; следовательно, будем иметь:

Обращаясь теперь к вопросу о допустимом токе обратной последовательности в отношении нагревания ротора, отметим прежде всего, что допустимое его значение будет зависеть от длительности режима работы при этом токе.

Особенно чувствительными к потерям, вызванным обратно вращающимся полем, являются турбогенераторы, не имеющие отдельных успокоительных обмоток. Роторы современных больших турбогенераторов из условий допустимой окружной скорости приходится выполнять с ограниченным диаметром, что заставляет брать относительно высокую плотность тока для проводников обмотки возбуждения, так как только в этом случае размеры проводников позволяют уложить их в пазы ротора. Следовательно, учитывая повышенные потери в обмотках возбуждения, а также плохие условия ее охлаждения, нужно считать, что ротор в отношении теплового режима является весьма напряженной частью турбогенератора и что излишние потери в нем для него опасны. Вопрос о допустимом значении тока обратной последовательности для турбогенератора в отношении нагрева должен разрешаться опытным путем.

Если имеется в виду несимметричная нагрузка, то явнополюсную машину следует снабдить успокоительной обмоткой для уменьшения обратно вращающегося поля. Успокоительная обмотка должна быть так рассчитана, чтобы возникающие в ней потери не могли повысить нагревание ее и ротора сверх допустимых пределов. При отсутствии успокоительной обмотки возникает периодически изменяющийся момент из-за взаимодействия непостоянного обратного поля и токов статора, что может привести к заметным вибрациям машины.

4-5. Однофазный синхронный генератор

Однофазные синхронные машины по сравнению с трехфазными имеют ряд недостатков. К основным из них нужно отнести большие размеры и большую стоимость при одной и той же мощности. Поэтому на практике однофазные синхронные машины применяются крайне редко. В настоящее время во многих случаях, когда необходим однофазный ток, его берут от трехфазных линий.

По устройству однофазные машины отличаются от трехфазных лишь выполнением обмотки статора. В однофазных машинах обмотка занимает обычно не свыше 80% окружности статора, так как полное использование окружности статора при большей затрате меди и изоляционных материалов дает только небольшое увеличение напряжения на зажимах машины.

Действительно, если рассмотреть, например, образование однофазной обмотки из трехфазной, то при использовании 2/3 окружности (рис. 4-47,а) получим э.д.с., равную ; при использовании же всей окружности (рис. 4-47,6 и в) получим э.д.с., равную 2Е, т. е. при затрате меди и изоляционных материалов на 50% больше, чем в первом случае, увеличение э.д.с. составит лишь около 15,6%.



Рис 4-47. Образование однофазной обмотки из трехфазной.

Выясним вначале, какую мощность может давать трехфазная машина, используемая в качестве однофазной (по рис. 4-47,а), если она будет работать с тем же магнитным потоком в воздушном зазоре и с тем же током в обмотке статора, что и при работе в качестве трехфазной. Последнее условие в отношении тока можно принять для высоковольтных машин, где из-за сравнительно толстого слоя изоляции затруднена передача тепла от меди к стенкам пазов или в воздух.

В этом случае мощность однофазной машины будет равна , а мощность трехфазной машины 3EI. Следовательно, мощность однофазной машины будет составлять только  от мощности трехфазной машины.

Если допустить при работе однофазной машины те же потери в обмотке статора, что и при работе трехфазной машины, полагая, что тепло от меди хорошо передается через изоляцию стальным листам статора, то ток однофазной машины I1 может быть взят, очевидно, большим, чем ток трехфазной машины I3. Но и при этих условиях мощность однофазной машины получается меньше мощности трехфазной машины. Действительно, так как было принято, что

, то ;

следовательно, мощность однофазной машины составляет:



от мощности трехфазной машины.

Учитывая также потери в роторе, вызванные обратно вращающимся полем, мощность однофазного генератора при тех же размерах, что и для трехфазного, приходится брать не выше примерно 60% от мощности последнего.

Работа однофазного генератора, имеющего обмотку на статоре, расположенную на 2/3 его окружности, может быть исследована при помощи метода симметричных составляющих, так как его работу можно рассматривать как частный случай работы трехфазного генератора при несимметричной нагрузке, когда она присоединена только к двум зажимам.

Следует иметь в виду, что в однофазном генераторе обратная н.с. имеет большое значение, так как здесь токи обратной последовательности равны токам прямой последовательности. Поэтому, чтобы ослабить ее вредное действие, необходимо ротор машины снабдить достаточно мощной успокоительной обмоткой, выполненной из стержней большого сечения; только в этом случае можно получить удовлетворительные условия для работы однофазной машины.

 4-6. Несимметричные короткие замыкания

При исследовании несимметричных коротких замыканий мы будем пользоваться методом симметричных составляющих. На основе этого метода можно составить уравнения напряжений и токов, которые позволят определить установившиеся токи при несимметричных коротких замыканиях, если известны э.д.с. E0 и параметры машины х1, х2, х0, причем сопротивление x1 = xd = xad + x?.

При определении токов короткого замыкания на зажимах машины может быть использовано ненасыщенное значение xd и э.д.с. E0 по спрямленной характеристике холостого хода. Кроме того, почти всегда в практических случаях можно пренебрегать активными сопротивлениями r1, r2, r0. Для общности в уравнениях будем брать полные сопротивления: Z1 = r1 + jx1; ; .
а) Двухфазное короткое замыкание.

 Двухфазное короткое замыкание, называемое также двухполюсным, на практике наблюдается наиболее часто. Схема для этого случая приведена на рис. 4-48.



Рис. 4-48. Двухфазное короткое замыкание,

Токи в фазах обмотки статора будут:

.          (4-38)

Линейное напряжение

,

откуда

.          (4-39)

Так как ток в фазе а Iа = 0, то из (4-38) получим:

.          (4-40)

Ток , поэтому

,

а отсюда

.          (4-41)

Так как можно принять, что э.д.с. холостого хода  образуют симметричную звезду векторов, то уравнения напряжений, например для фазы а, напишутся в следующем виде [ср. с (4-37)]:

          (4-42)

Для остальных фаз уравнения напряжений напишутся аналогично.

Так как , то из (4-42) следует, что Uа0 = 0. Имея в виду равенство (4-39), получим уравнения для симметричных составляющих напряжения фазы а:

;

.

Отсюда

.          (4-43)

Поэтому, учитывая (4-42), можем написать:



или с учетом (4-41)

.          (4-44)

Согласно рис. 4-48 . Вместо можем написать:



или с учетом (4-41)

.

Подставляя в полученное равенство  из (4-44), получим:

.          (4-45)


 б) Однофазное короткое замыкание.

 Однофазное короткое замыкание называют также условно однополюсным. Оно может получиться только при наличии нулевого провода. Схема для этого случая показана на рис. 4-49.



Рис. 4-49. Однофазное короткое замыкание.

Токи в фазах обмотки статора будут:



Для данного вида короткого замыкания имеем

.          (4-46)

Так как , то, используя уравнения (4-42), получим:

,

а отсюда с учетом (4-46)

.          (4-47)

 в) Двухфазное короткое замыкание на нейтраль.

 Схема для данного вида короткого замыкания представлена на рис. 4-50.



Рис. 4-50. Двухфазное короткое замыкание на нейтраль.

Так как в данном случае , то согласно уравнениям для симметричных составляющих напряжений получим:

.          (4-48)

Ток нулевой последовательности равен одной трети тока нулевого провода:

.          (4-49)

Согласно (4-42)

.

Отсюда, учитывая (4-48) и (4-49), получим:

          (4-50)

или, если пренебречь активным сопротивлением r0,

.          (4-51)

Следовательно, измеряя напряжение свободной фазы Uа и ток нулевого провода Iк20, мы можем приближенно определить по (4-51) индуктивное сопротивление нулевой последовательности x0.

Ток Iк20 при известных Е0а и параметрах Z1, Z2, Z0 определяется следующим образом:

Согласно (4-42)

.          (4-52)

Так как ,

то

.          (4-53)

Согласно (4-50) и (4-49)

.          (4-54)

Так как согласно (4-48) , то из (4-42) получим , а отсюда

;          (4-55)

следовательно, вместо (4-53) можем написать:

.          (4-56)



Рис. 4-51. Двухфазное короткое замыкание. 

Учитывая (4-53)  (4-56), уравнение (4-52) напишем в следующем виде:



Отсюда с учетом (4-49)

.          (4-57)

 г) Двухфазное короткое замыкание при соединении обмотки статора треугольником.

 Такое соединение показано на рис. 4-51. В этом случае получаем следующие уравнения для линейных и фазных токов:

; ;

; ;

; .

Найдем симметричные составляющие тока :

;

.

Следовательно,

.          (4-58)

Так как  и , то, сложив уравнения (4-42) и учтя (4-58), получим:

.          (4-59)

Точно такое же уравнение можно было бы получить, заменив треугольник эквивалентной звездой.

 д) Параметры Z2 и Z0 и их определение опытным путем.

 Как указывалось ранее, сопротивление обратной последовательности Z2 = r2 + jx2 есть сопротивление синхронной машины, вращающейся с синхронной частотой, для токов обратной последовательности, т. е. для токов, создающих в машине обратно-синхронное поле.

Если машину с замкнутой обмоткой возбуждения вращать посторонним двигателем с синхронной частотой и подвести к ее статору трехфазное симметричное напряжение таким образом, чтобы вызванные им токи создавали обратно-синхронное поле, то, измеряя мощность Р, напряжение U и ток I, найдем:

.

Обратное поле создается результирующей н.с. статора и ротора. При этом н.с. статора создается токами обратной последовательности, а н.с. ротора — токами, наведенными в контурах ротора обратным полем (вихревые токи в стали ротора, токи успокоительной обмотки и обмотки возбуждения).

Часть индукционных линий обратного поля сцепляется только с обмоткой статора и аналогична полю рассеяния от токов прямой последовательности. Магнитный поток в воздушном зазоре, создаваемый обратной результирующей н.с., будет зависеть от заглушающего действия токов в контурах ротора. Он будет тем меньше, чем меньше полные сопротивления контуров ротора.

Активное сопротивление обратной последовательности r2 больше активного сопротивления обмотки статора rа, так как r2 учитывает не только электрические потери в обмотке статора и потери от полей рассеяния, но и потери от токов в цепях ротора, наведенных обратным полем.

Сопротивления нулевой последовательности Z0 = r0 + jx0, как указывалось ранее, есть сопротивление синхронной машины для токов нулевой последовательности, которые, например, могут быть созданы в обмотке ее статора, если к ней .подвести однофазное напряжение, как показано на рис. 4-52.



Рис. 4-52. Схема для опытного определения сопротивления нулевой последовательности.

Измеряя при этом мощность Р, ток I и напряжение U, найдем:

.

При опыте лучше вращать машину посторонним двигателем с номинальной частотой, замкнув обмотку возбуждения накоротко. Мы будем иметь при этом условия образования поля внутри статора, вызванного гармониками н.с. статора с номером, кратным трем, такие же, как при работе машины.

Если пренебречь указанными гармониками н.с. фаз, то результирующая н.с. трехфазной обмотки будет равна нулю. Следовательно, в этом случае токи нулевой последовательности не создают поля внутри статора. Они будут создавать только поля рассеяния. Последние отличаются от полей рассеяния, создаваемых токами прямой или обратной последовательности, что вытекает из следующих рассуждений.

Обратимся сначала к диаметральной обмотке. Здесь поле рассеяния в пазах будет создаваться только током рассматриваемой фазы; поле же в лобовых частях будет создаваться как током данной фазы, так и токами соседних фаз. Поэтому потокосцепления самоиндукции и взаимоиндукции будут различным образом сдвинуты по фазе в зависимости от того, какие токи протекают в обмотке статора — нулевой или прямой последовательности. Для двухслойной диаметральной обмотки можно считать, что потокосцепление рассеяния ее пазовых частей при токах нулевой последовательности будет такое же, как и при токе прямой последовательности. Потокосцепление лобовых частей этой обмотки в первом случае будет меньше, чем во втором случае поэтому здесь х0 будет несколько меньше, чем x?.

Если обратиться к двухслойной обмотке с укороченным шагом, то здесь потокосцепление ее пазовых частей при токах нулевой- последовательности может быть значительно меньше, чем при токах прямой последовательности. Например, для обмотки с шагом  потокосцепление ее пазовых частей будет равно почти нулю, так как в этом случае токи нулевой последовательности в верхних и нижних слоях обмотки будут иметь противоположные направления, для такой обмотки x0 значительно меньше х?. Значение x0 в большой степени зависит от укорочения шага обмотки и для выполненных машин колеблется в довольно широких пределах х0  (0,1  0,9) х?.

Активное сопротивление нулевой последовательности r0 мало отличается от активного сопротивления прямой последовательности r1 = rа; обычно оно несколько меньше r1.

 Опытное определение Z2 и Z0 может быть проведено и другими способами, отличными от описанных ранее. Необходимо иметь в виду, что под Z2 и Z0 обычно понимаются сопротивления при частоте 50 Гц. Следовательно, в большинстве случаев их нужно находить как частное от деления основной гармоники напряжения на основную гармонику тока. Способы опытного определения Z2 и Z0 основаны на использовании данных опытов, при которых в обмотке статора имеют место токи обратной или нулевой последовательности или токи обеих последовательностей. Так как в этих случаях поле, вызванное указанными токами внутри статора, будет изменяться вследствие периодического изменения магнитной проводимости, то в кривых тока и напряжения появляются высшие гармоники. В машинах без успокоительной обмотки они достигают заметной величины. Поэтому для таких машин их следует учитывать при необходимости более точного определения Z2 и Z0. Для машин с успокоительной обмоткой влиянием высших гармоник можно пренебречь.

Мы можем принять для нормальных синхронных машин x2  z2 и х0  z0. Тогда уравнения для установившихся токов при различных случаях короткого замыкания [см (4-45), (4-47), (4-57)] получают следующий вид:

;          (4-60)

;          (4-61)

;          (4-62)

.          (4-63)

Задаваясь значениями тока возбуждения Iв и определяя по спрямленной характеристике холостого хода соответствующие им значения э.д.с. E0, по приведенным уравнениям, если известны параметры х1, х2 и x0, найдем токи короткого замыкания. Таким образом, могут быть построены характеристики короткого замыкания. Эти же характеристики можно снять опытным путем.

На рис 4-53 представлены характеристика холостого хода (Е0) и характеристики короткого замыкания: однофазного (Iк1), двухфазного на нейтраль (Iк20), двухфазного (Iк2) и трехфазного (Iк3).



Рис. 4-53. Характеристики короткого замыкания и холостого хода.

Если эти характеристики сняты опытным путем, то, определяя из них токи и по спрямленной характеристике холостого хода э.д.с. Е0 для одного и того же тока возбуждения, можно при помощи уравнений (4-60)  (4-63) найти сопротивления всех последовательностей.

Например, определяя по характеристикам трехфазного и двухфазного коротких замыканий токи Iк3 и Iк2, а по спрямленной характеристике холостого хода э.д.с. Е0, из уравнений (4-60) и (4-61) найдем:

.          (4-64)

Определяя по характеристикам однофазного и двухфазного коротких замыканий токи Iк2 и Iк1 и по спрямленной характеристике холостого хода э.д.с. Е0 из уравнений (4-61) и (4-62) найдем:

.          (4-65)

Указанные способы определения х2 и х0 требуют особенно тщательного снятия характеристик короткого замыкания, так как сравнительно небольшая неточность в определении токов Iк1, Iк2, Iк3 может дать большую ошибку при определении сопротивлений x2 и х0 поскольку они определяются как разность двух близких между собой величин.

Кроме указанных способов, для определения х2 и x0 можно также использовать данные, получаемые из опыта несимметричной нагрузки трехфазного генератора. Ранее в § 4-4,г было показано, что при несимметричной нагрузке симметрия линейных напряжений нарушается вследствие возникновения в них составляющих обратной последовательности, а симметрия фазных напряжений — вследствие возникновения в них составляющих обратной и нулевой последовательностей. Следовательно, если измерить при несимметричной нагрузке токи и напряжения, то, выделив из них симметричные составляющие I2, U2 и I0, U0, можно найти:

.

При опытах с несимметричными короткими замыканиями, так же как и при опыте с несимметричной нагрузкой, необходимо считаться с увеличением потерь в роторе, вызванных обратно вращающимся полем, и поэтому опыты следует проводить быстро и при небольших токах.

4-7. Параллельная работа генераторов

Обычно на электрических станциях устанавливается несколько синхронных генераторов, предназначенных для параллельной работы, что в большой степени повышает надежность работы станций в отношении бесперебойности энергоснабжения потребителей. В этом случае возможно в зависимости от потребной мощности включать на совместную работу такое количество генераторов, чтобы каждый из них отдавал номинальную мощность или близкую к ней. Тогда не только генераторы, но и их первичные двигатели будут работать с высоким к.п.д., так как те и другие рассчитываются и выполняются таким образом, чтобы значения их к.п.д. были наибольшими при номинальной нагрузке. Кроме того, и электрические станции часто объединяются для параллельной работы в одну мощную систему, позволяющую наилучшим образом как с технической, так и экономической точки зрения разрешать задачу производства и распределения электрической энергии. Поэтому вопросы, относящиеся к параллельной работе синхронных машин, имеют большое практическое значение.

При изучении этих вопросов приходится иметь дело с теми свойствами синхронных машин, которые характерны только для них и выделяют их среди других машин переменного тока.

Вначале рассмотрим применительно к синхронным генераторам общие вопросы параллельной работы синхронных машин, одинаково относящиеся к генераторному и двигательному их режимам. 

4-7.1. Синхронизация и включение на параллельную работу

При включении на параллельную работу синхронных машин, как и в случае трансформаторов, необходимо выполнить определенные условия.

Рассмотрим сначала включение на параллельную работу однофазной машины. На рис. 4-54 изображены генератор, который присоединен к общим шинам, и генератор, который нужно включить на параллельную работу с первым.



Рис. 4-54. Включение на параллельную работу однофазного генератора.

Перед включением необходимо добиться равенства напряжений на зажимах генератора и сети, к которой генератор приключается. Так как при параллельной работе наведенная э.д.с. должна в каждый момент времени уравновесить напряжение сети, то необходимо иметь одинаковые формы кривых э.д.с. генераторов. Этому требованию современные синхронные машины удовлетворяют: они имеют стандартную, практически синусоидальную форму кривой э.д.с. Поэтому достаточно добиться при включении равенства действующих значений напряжений, а также равенства частот и фаз. Это достигается посредством изменения тока в обмотке возбуждения приключаемого генератора и путем регулирования частоты его вращения.

Определение момента времени, когда можно замкнуть рубильник, т. е. когда напряжение между точками аа' и bb' (рис. 4-54) равны нулю, производится при помощи фазовых или фазоиндикаторных ламп.

Один из способов включения таких ламп показан на рис. 4-54. До включения рубильника они будут то гаснуть, то загораться. Промежутки времени между следующими одна за другой вспышками ламп будут тем больше, чем меньше отличается частота приключаемой машины от частоты сети.

Изобразим вектором  напряжение сети и вектором  напряжение приключаемого генератора (рис. 4-55).



Рис. 4-55. Векторы напряжений: сети  и генератора .

В момент, когда лампы погаснут, оба вектора расположатся, как показано на рис. 4-55 (представленная диаграмма получается при обходе контура, состоящего из обмотки якоря первой машины, общих шин и обмотки якоря второй машины: B1A1A2B2B1 (рис. 4-54)). Напряжение, приложенное в этот момент к лампам, равно нулю. Если бы частоты напряжений были одинаковы или, что одно и то же, были одинаковы угловые скорости вращения векторов, то лампы не горели бы — в любой момент времени напряжение сети уравновешивалось бы напряжением генератора. Но практически не удается до включения рубильника установить на длительное время равенство частот напряжении. Поэтому векторы напряжений  и  будут перемещаться один относительно другого со скоростью с-г, и соответственно этой относительной скорости будет изменяться напряжение на лампах.

 Если представить кривой uс = f(t) изменение напряжения сети и кривой uг = f(t) изменение напряжения приключаемого генератора, то, сложив ординаты обеих кривых, получим кривую изменения напряжения на лампах (жирнее начерченная кривая на рис. 4-56,а).



Рис. 4-56. Изменение напряжения на лампах при различии частот напряжений сети и генератора.

Рисунок 4-56,а показывает, что напряжения сети и генератора в результате неравенства частот то уравновешивают друг друга, то складываются. На рис. 4-56,б отдельно представлена кривая результирующего напряжения. Здесь промежутки времени от  до  соответствуют потуханию ламп (накал нити ламп перестает быть видимым уже при 30—50% от их номинального значения), а промежутки времени от  до  — горению ламп. Момент, обозначенный на рис. 4-56,б через Г, соответствует наибольшему накалу ламп. Рубильник, очевидно, нужно включить в момент, обозначенный на рис. 4-56,б через П.

Добиваются, чтобы промежутки времени между следующими одна за другой вспышками ламп были достаточно велики (3—5 с и больше), для чего регулируют скорость вращения приключаемого генератора. Затем, пропустив несколько раз возможные моменты включения, чтобы глаз привык определять середину промежутка потухания, включают рубильник в момент полного потухания ламп.

Показанный на рис. 4-54 способ включения ламп называется «включением на потухание».

После того как включен рубильник, скорость вращения генератора по причинам, о которых будет сказано в дальнейшем, держится уже строго постоянной и соответствует частоте сети.

Те же условия, которые были указаны в отношении однофазных генераторов, должны быть выполнены и при включении на параллельную работу трехфазных генераторов.  



Рис. 4-57. Включение на параллельную работу трехфазного генератора (включение ламп на потухание).

Обратимся к рис. 4-57. В момент включения напряжения между точками а, bи сс' должны быть равны нулю. Для этого необходимо, кроме выполнения условий, о которых говорилось ранее (равенство частот и равенство напряжений), выполнение ещё одного условия, а именно, необходимо ещё иметь соответствие порядков чередования фаз приключаемого генератора и сети.

На рис. 4-57 представлено включение ламп на потухание. При таком включении лампы будут одновременно гаснуть и одновременно загораться, если порядки чередования фаз сети и генератора совпадают.

 Изобразим напряжения сети в виде звезды векторов I, II, III, а напряжения подключаемого генератора — в виде звезды векторов 1, 2, 3 (рис. 4-58).



Рис. 4-58. Напряжения на лампах при их включении на потухание и при совпадении порядков чередования фаз сети и генератора.

Обе звезды вращаются относительно неподвижной оси времени с различными частотами ?с и ?г соответственно частоте сети и частоте генератора; следовательно, одна звезда относительно другой вращается с частотой ?с - ?г. На рис. 4-58 показано сложение напряжений сети и подключаемого.генератора для четырех различных моментов времени. На этом рисунке видим, что все три напряжения на лампах изменяются одновременно. Рисунок 4-58,г соответствует моменту времени, когда напряжения сети уравновешивают напряжения генератора. В этот момент лампы гореть не будут и, если разность ?с - ?г невелика, можно включить рубильник.

Обратимся к другому способу включения ламп (рис. 4-59), называемому включением на «бегающий» или «вращающийся» свет.



Рис. 4-59. Синхронизация при включении ламп на бегающий свет.

Здесь лампы будут попеременно загораться и потухать. Если лампы разместить так, как показано на рис. 4-59, то создается впечатление бегающего по вершинам треугольника света. В зависимости от того, какая частота больше — генератора или сети, свет ламп будет вращаться в ту или другую сторону. Сказанное можно уяснить при помощи диаграмм, приведенных на рис. 4-60.



Рис. 4-60. Напряжение на лампах при их включении на бегающий свет и при совпадении порядков чередования фаз сети и генератора.

Эти диаграммы показывают, что лампы загораются и потухают попеременно и что направление вращения света зависит от знака разности ?с - ?г. Рис. 4-60,г соответствует моменту времени, когда можно включить рубильник, так как в этом случае напряжения сети уравновешиваются напряжениями генератора. Следовательно, включение рубильника должно быть произведено, когда одна лампа (между I1) потухнет, а две другие лампы (между II3 и III2) будут гореть с одинаковым накалом.

 

Если при включении ламп на потухание (рис. 4-57) они дадут бегающий свет, то это указывает на несовпадение порядков чередования фаз сети и генератора. Для того чтобы получить это совпадение, нужно поменять местами два провода, присоединенных к зажимам генератора или сети, или изменить направление вращения приключаемого генератора. После этого лампы дадут обязательно одновременное загорание и потухание.

Очевидно, что при включении ламп на бегающий свет (рис. 4-59) они дадут одновременное загорание и потухание, если порядки чередования фаз сети и генератора не совпадают друг с другом. В этом случае также нужно изменить порядок чередования фаз сети или генератора путем переключения двух фаз.

Указанные устройства с лампами называются ламповыми синхроноскопами. На электрических станциях применяются также синхроноскопы со стрелкой в виде щитовых приборов. Для более точного определения момента включения целесообразно применить так называемый нулевой вольтметр, который приключается параллельно к лампе между I и 1 (рис. 4-57 и 4-59).

Шкала такого вольтметра рассчитывается на напряжение, не меньшее двойного фазного (см., например, рис. 4-60,а), и имеет очень сильно расширенную начальную часть. На его шкале достаточно отметить только одно нулевое значение. Стрелка вольтметра будет медленно колебаться соответственно потуханию и загоранию ламп и покажет нуль, когда напряжение между точками I и 1 будет равно нулю.

На станциях Советского Союза в последние годы находят себе применение способы автоматической синхронизации при включении генератора на параллельную работу с сетью. Кроме того, применяется включение по методу самосинхронизации. При таком включении частота вращения невозбужденного генератора доводится до синхронной или возможно близкой к ней в направлении вращения поля, возникающего после включения. Затем генератор подключается к сети при быстром вслед за этим включении тока в обмотку возбуждения, после чего он сам втягивается в синхронизм под действием синхронизирующего момента, о котором сказано в последующем. Возникающие при этом токи во многих случаях ни для машин, ни для сетей не представляют опасности.

Включение синхронных машин на параллельную работу по методу самосинхронизации, подробно разработанному в Советском Союзе, в настоящее время успешно применяется на многих электрических станциях.

 4-7.2. Параллельная работа генератора с сетью бесконечно большой мощности

Будем считать, что машина подключена к сети очень большой мощности (теоретически бесконечно большой) и что все изменения, которые происходят в машине, не влияют на сеть: вектор напряжения сети все время остается постоянным и вращается относительно неподвижной оси времени с одной и той же равномерной угловой частотой ?с = 2?f. Такое допущение облегчает рассуждения и делает более ясными выводы.

Вопросы, относящиеся к параллельной работе синхронных машин, важно выяснить прежде всего с их качественной стороны.

Ранее указывалось, что до включения синхронной машины на параллельную работу практически невозможно добиться, чтобы частота ее напряжения была длительно равна частоте напряжения сети; после же включения машина будет работать строго в такт, синхронно с другими машинами, питающими сеть. В этом заключается характерное свойство синхронной машины, которое и дало повод к ее названию.

Рассмотрим причины, которые заставляют синхронную машину работать синхронно с другими такими же машинами при их параллельном включении.

Представим себе, что машина, после того как она приключена к сети, работает вначале вхолостую, т. е. не отдает и не потребляет никакой активной мощности. Если наведенная э.д.с.  машины точно равна и обратно направлена напряжению сети , то в обмотке статора не будет никакого тока (рис. 4-61).



Рис. 4-61. Векторы напряжения сети  и э.д.с.  при отсутствии тока в обмотке статора. 

Если теперь машина по какой-нибудь причине начнет вращаться быстрее, например вследствие случайного увеличения момента первичного двигателя, то вектор  несколько сдвинется в сторону вращения векторов (рис. 4-62,а). Сдвиг фаз между  и  в этом случае уже не будет равен 180°. В цепи, состоящей из обмоток приключенной машины и машин, уже работавших, будет действовать результирующая э.д.с. . Она создает в этой цепи ток . Мы можем считать, что ток  зависит от синхронного сопротивления хс только рассматриваемой машины, так как сопротивлением всех других машин при очень большой их мощности можно пренебречь (мы здесь имеем в виду ненасыщенную неявнополюсную машину, для которой, как отмечалось, можно принять: xc=xd=xq):

          (4-66)



Рис. 4-62. Векторная диаграмма синхронной машины.
а
— соответствующая увеличению вращающего момента первичного двигателя, б — соответствующая уменьшению вращающего момента первичного двигателя.

Ток  будет практически отставать от  на 90°, так как активное сопротивление цепи имеет ничтожное значение. Машина будет работать генератором и отдавать энергию в сеть, так как E0Icos > 0. Токи статора, взаимодействуя с магнитным полем машины, создают электромагнитный момент, направленный против вращения, т. е. тормозящий момент, противодействующий стремлению машины вращаться быстрее.

Если машина начнет вращаться медленнее, то возникают токи (рис. 4-62,б), создающие при взаимодействии с полем электромагнитный момент, направленный в сторону вращения. Машина начнет работать двигателем, потребляя мощность из сети

E0Icos < 0.

Следовательно, при всяком случайном отклонении от синхронного вращения сейчас же возникают в обмотке статора токи, которые восстанавливают синхронизм.

 
1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации