Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 17 из 42)
При работе в режиме стабилизации напряжения ток возбуждения синхронного компенсатора устанавливается постоянным, причем такой величины, чтобы э. д. с. компенсатора Е0была равна номинальному напряжению сети Uс.ном (рис. 1.55, б). В сети при этом имеется некоторый ток Iн создающий падение напряжения
,где rс и хс–активное и индуктивное сопротивления сети; φ–угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.
Рис. 1.55 – Векторные диаграммы синхронного компенсатора:
а–в режиме улучшения cos ф сети; б, в, г–врежиме стабилизации напряжения
Если напряжение сети в точке подключения синхронного компенсатора несколько понизится из-за возрастания тока нагрузки Iн и станет меньше Uс.ном, то синхронный компенсатор начнет забирать из сети реактивный опережающий ток İа(рис. 1.55, в). Это уменьшает падение напряжения в ней на величину ΔUк = Iaxc. При повышении напряжения в сети, когда Uc> Uс.ном, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током İа (рис. 1.55, г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину ΔUк = Iaxc. При достаточной мощности синхронного компенсатора колебания напряжения в сети не превышают 0,5 – 1,0%. Недостатком указанного метода стабилизации напряжения является то, что синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.
1.17 Однофазная синхронная машина
Однофазная синхронная машина может работать в качестве генератора и двигателя. При этом на статоре машины укладывают обмотку якоря (рис. 1.56, а),занимающую примерно 2/3 его окружности. Располагать обмотку якоря по всей окружности статора нецелесообразно, так как при этом расход меди увеличится в 1,5 раза, а мощность повысится незначительно – примерно на 15%. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа пазов уменьшается обмоточный коэффициент, который для машины с равномерно распределенной обмоткой якоря составляет около 0,64. Однако из-за уменьшения числа пазов, заполненных обмоткой, мощность однофазной машины примерно в 1,4 раза меньше мощности трехфазной машины с одинаковым диаметром статора и при одинаковых потерях мощности в его обмотке.
Рис. 1.56 – Схематический разрез однофазной синхронной машины (а) и векторная диаграмма м. д. с. и э. д. с, создаваемых обратным полем (б): 1-статор, 2-обмотка якоря, 3 – ротор, 4 – обмотка возбуждения
При протекании однофазного тока по обмотке якоря возникает как прямое Фпр, так и обратное Фобр магнитные поля. Прямое поле относительно ротора неподвижно; обратное же вращается с угловой скоростью 2ω1 и индуктирует в обмотке возбуждения э. д. с, частота которой в два раза больше частоты э. д. с. в обмотке якоря. Протекающий при этом ток двойной частоты может вызвать искрение на щетках возбудителя и ряд других нежелательных последствий. Для устранения этих явлений на роторе однофазной машины обязательно размещают короткозамкнутую демпферную обмотку типа беличьей клетки. В стержнях демпферной обмотки обратное поле индуктирует э. д. с. двойной частоты, вследствие чего создаваемая этой обмоткой м. д. с. Fдбудет вращаться с той же частотой и в том же направлении, что и обратное поле, созданное м. д. с. Fобробмотки статора. Векторная диаграмма (рис. 1.56, б), иллюстрирующая взаимодействие этих м. д. с, сходна с векторной диаграммой трансформатора тока. Так же как и в трансформаторе тока, м. д. с. Fд оказывает размагничивающее действие на м. д. с. Fобр,при этом результирующая м. д. с. Fрези создаваемый ею поток Фрез, а также э. д. с. Едв демпферной обмотке и э. д. с. Евв обмотке возбуждения резко уменьшаются. Таким образом, при наличии демпферной обмотки обратное поле почти полностью гасится и через обмотку возбуждения переменный ток практически не проходит.
1.18 Понятие о переходных процессах в синхронных машинах
Процессы, возникающие в синхронных машинах при переходных режимах, например при внезапном коротком замыкании или резком изменении нагрузки, весьма сложны, что вызывает значительные
трудности при их точном количественном расчете. Однако поведение синхронной машины при указанных режимах имеет очень большое практическое значение, так как переходные процессы могут вызвать повреждение машины, а следовательно, и значительные убытки, связанные с перерывом энергоснабжения промышленных предприятий. Поэтому необходимо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно величину аварийных токов, имеющих место при коротком замыкании.
Рис. 1.57. Графики изменения токов в обмотках якоря (а), возбуждения (б) и демпферной (в) при коротком замыкании
Внезапное короткое замыкание синхронного генератора. Рассмотрим трехфазное короткое замыкание синхронного генератора, работающего предварительно в режиме холостого хода.
Осциллограмма тока якоря в одной из фаз генератора показана на рис. 1.57. На первый взгляд изменение тока якоря напоминает закон изменения тока трансформатора при коротком замыкании, описываемый формулой (2–98):
,где iк.п и iк.а– периодическая и апериодическая составляющие тока короткого замыкания; Iуст m–амплитуда установившегося тока короткого замыкания; α0 – начальная фаза напряжения при t = 0, т.е. в момент начала короткого замыкания; rк и Lк– сопротивление и индуктивность трансформатора при коротком замыкании.
Однако более подробный анализ показывает, что процесс короткого замыкания в синхронном генераторе значительно сложнее, чем в трансформаторе.
Рис. 1.58 – График изменения тока в обмотке якоря при коротком замыкании
При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей Iк, п тока генератора (рис. 1.58) и в конце концов она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:
.В первом полупериоде амплитуда периодической составляющей в 5–8 раз превышает величину Iкm. Это происходит из-за того, что в начальный момент процесса короткого замыкания э. д. с. синхронного генератора близка к э. д. с. холостого хода Е0и только через 0,6–1,5 с становится равной
.Быстрому уменьшению э. д. с. Е и потока Фрез препятствует появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 1.57, б), который возникает из-за того, что в обмотке возбуждения индуктируется э. д. с.
. (1.52)Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествовавшего короткому замыканию. В соответствии с уменьшением тока возбуждения снижаются результирующий поток, э. д. с. генератора и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды
. (1.53)где x'd–продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря.
Поскольку амплитуда тока постепенно затухает, приближаясь к установившемуся значению тока короткого замыкания Iкm, периодическая составляющая тока короткого замыкания может быть представлена в виде
, (1.54)так как индуктивное сопротивление синхронной машины значительно больше активного и φк ≈ arctg (хк/rк) ≈ π/2.
Переходная постоянная времени T'dобусловлена не только параметрами обмотки якоря, но и главным образом параметрами обмотки возбуждения и составляет 0,4 – 3,0 с.
Обычно величина продольного переходного индуктивного сопротивления в относительных единицах x'd* = 0,2 ÷ 0,5.
Еще большей бывает амплитуда тока короткого замыкания, если машина имеет успокоительную (демпферную) обмотку, в которой также возникает переходный ток, замедляющий уменьшение результирующего потока. При наличии успокоительной обмотки
, (1.55)где x"d–сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси. Обычно x"d* = 0,12 ÷ 0,35.
Затухание тока якоря, соответствующее затуханию переходного тока в демпферной обмотке, определяется сверхпереходной постоянной времени T"d = 0,03-=-0,15 с, которая зависит в основном от параметров демпферной (успокоительной) обмотки.
С учетом сказанного периодическая составляющая тока короткого замыкания принимает вид
. (1.56)