Mister 220V

Принципиальное отличие переходных процессов в синхронных генераторах от рассмотренных ранее установившихся состоит в том, что при установившихся процессах работы генератора с симметричной нагрузкой в сердечнике и обмотках ротора не индуцируется никаких токов. В то же время при переходных процессах и несимметричных нагрузках между ротором и статором возникают трансформаторные связи.

Наибольший интерес представляет переходный процесс при внезапном трехфазном коротком замыкании синхронного генератора. Переходный процесс при резких изменениях нагрузки, следствием которого являются колебания синхронной машины, был рассмотрен в 21.4.

При переходном процессе в синхронном генераторе пренебрегают активным сопротивлением его обмоток, т. е. эти обмотки считают сверхпроводниками. Это допущение в значительной степени облегчает изучение процесса, не внося заметной погрешности, особенно для крупных машин, у которых активное сопротивление обмоток весьма мало. В любой момент времени полное потокос-цепление сверхпроводящего контура

где – ф_внеш и ф_l — потокосцепления, обусловленные внешней причиной и самоиндукцией контура соответственно.

Рассмотрим внезапное трехфазное короткое замыкание синхронного генератора на его зажимах. Будем считать, что предварительно этот генератор работал в режиме холостого хода, т. е. в нем действовал единственный магнитный поток Ф_в обмотки возбуждения,

в которой проходил ток I_во. При коротком замыкании появляется вращающийся синхронно с ротором магнитный поток статора по продольной оси (обмотка статора представляет собой чисто индуктивную нагрузку) Ф_ад, направленный против потока обмотки возбуждения Фв (рис. 21.12, а). Поэтому в начальный момент переходного процесса, называемого сверхпереходным, действующее значение тока внезапного короткого замыкания имеет наибольшую величину — ударный ток короткого замыкания:

где х"d — сверхпереходное индуктивное сопротивление.

Обмотка возбуждения и успокоительная обмотка все же обладают некоторым активным сопротивлением, а поэтому индуцируемые в них дополнительные токи i_д.в и i_д.у будут постепенно затухать. Однако этот процесс затухания протекает неодинаково, так как успокоительная обмотка и обмотка возбуждения имеют разные электромагнитные постоянные времени T_эм. Обмотка возбуждения, имея значительное число витков по сравнению с успокоительной обмоткой, обладает большей индуктивностью, т. е. Т_{эм в} > T_эму. Поэтому к моменту времени, когда дополнительный ток i_{д у} в успокоительной обмотке уменьшится до нуля, дополнительный ток i_{д в} еще имеет некоторое значение. При этом магнитный поток реакции якоря частично будет проходить через ротор, отчего его значение несколько возрастет до значения Ф_а1 > Ф". Соответственно увеличится индуктивное сопротивление статора по продольной оси, достигнув значения x’_d > х", называемого переходным индуктивным сопротивлением. При этом ток внезапного короткого замыкания несколько уменьшится, т. е.

Через некоторое время снизится до нуля и добавочный ток в обмотке возбуждения i_лв. При этом поток статора будет замыкаться полностью через ротор и его значение станет еще больше Ф_аd > Фad. Соответственно возрастет и индуктивное сопротивление статора, достигнув значения x_d > x_d, а ток короткого замыкания будет равен

Под действием описанных процессов в генераторе установится результирующий магнитный поток (рис. 21.12, б)

С уменьшением магнитного потока, сцепленного с обмоткой статора, понизится ЭДС статора до значения Е_к < Е₀, что приведет к уменьшению тока короткого замыкания до установившегося значения

Таким образом, при внезапном трехфазном коротком замыкании происходит постепенное затухание тока короткого замыкания. Если, например, пик тока (ударный ток) при внезапном коротком замыкании достигает 15-кратного значения по сравнению с номинальным значением тока в обмотке статора, то установившийся ток короткого замыкания достигает 1,5-кратного (для турбогенераторов) или 2,5-кратного (для гидрогенераторов) значения при токе возбуждения, соответствующем номинальной нагрузке. В некоторых случаях ток I_к.уст может оказаться даже меньше номинального. Причиной столь малого тока статора при установившемся коротком замыкании является размагничивание генератора полем реакции якоря. На рис. 21.13 представлены осциллограммы токов синхронного генератора при внезапном коротком замыкании, где отмечены три характерных участка: / — сверхпереходный процесс; // — переходный процесс; III — установившийся режим короткого замыкания.

Ударный ток короткого замыкания создает значительные электромагнитные силы, действующие на обмотку статора. Особую опасность эти силы представляют для лобовых частей обмотки, что требует применения специальных мер по их укреплению, особенно в турбогенераторах, где лобовые части имеют значительный вылет.

При внезапном коротком замыкании синхронного генератора возникают также значительные электромагнитные моменты, действующие на статор и ротор. В наиболее неблагоприятных условиях мгновенное значение такого момента достигает десятикратной величины по сравнению с номинальным моментом. Это необходимо учитывать при механических расчетах некоторых деталей машины и ее крепления к фундаменту. Режим короткого замыкания нежелателен еще и потому, что он нарушает параллельную работу синхронных генераторов.

С точки зрения уменьшения ударного тока короткого замыкания полезным является увеличение магнитного потока рассеяния обмотки статора Ф_о1, так как это ведет к росту индуктивного сопротивления x_d = x_ad + х_г. Однако не следует забывать и о вредном действии магнитного потока рассеяния: уменьшении полезного магнитного потока и росте внутреннего падения напряжения (за счет увеличения индуктивного сопротивления обмотки).

Преобразование энергии в синхронной машине связано с потерями энергии. Все виды потерь в синхронной машине разделяются на основные и добавочные.

Основные потери в синхронной машине слагаются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора (Вт)

где r₁ — активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре, Ом.
Потери на возбуждение (Вт):

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

где r₁ — активное сопротивление обмотки возбуждения при расчетной рабочей температуре, Ом;
б) при возбуждении от генератора постоянного тока (возбудителя), сочлененного с валом синхронной машины,

где n_в = 0,80-0,85 — КПД возбудителя.

Магнитные потери синхронной машины происходят в сердечнике статора, который подвержен перемагничиванию вращающимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гистерезиса Р_г и вихревых токов Р_вт:

Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в подшипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины),

— окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с; j₁ — конструктивная длина сердечника статора, мм.

Добавочные потери в синхронных машинах разделяются на два вида: пульсационные потери в полюсных наконечниках ротора и потери при нагрузке.

Добавочные пулъсационные потери Р_п в полюсных наконечниках ротора обусловлены пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора. Эти потери (Вт) равны

где Kn — коэффициент, учитывающий толщину листов полюсов ротора: при толщине листов 1 мм Для синхронных машин мощностью до 1000 кВт добавочные потери при нагрузке принимают равными 0,5 %, а для машин мощностью более 1000 кВт — от 0,25 до 0,4 %.

Суммарные потери в синхронной машине (кВт)

Коэффициент полезного действия: для синхронного генератора

— активная мощность, отбираемая от генератора при его номинальной нагрузке, кВт;

для синхронного двигателя

Графики этой зависимости аналогичны изображенным на рис. 1.41. У синхронных машин мощностью до 100 кВт КПД составляет 80 — 90 %, у более мощных машин — 92 — 99 %. Более высокие значения КПД относятся к турбо- и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_BQ [см. (20.1)] и МДС статора (якоря) F₁ [см. (9.15)], при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от величины и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Для этого воспользуемся векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС eq, индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС F_BO) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора Д, то он может занимать по отношению к вектору eq различные положения, определяемые углом ) в зависимости от вида нагрузки.
Активная нагрузка (ф₁ = 0). На рис. 20.5, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС Е₀ в

фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора Р_г направлена перпендикулярно МДС возбуждения F_B0. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генератора проводим вектор МДС возбуждения F_BO; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС Е₀, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора Д совпадает по фазе с ЭДС Е₀, а поэтому вектор МДС Р_г, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора F_BO ^на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) F_l на МДС возбуждения F_BO вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 20.6). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е.

тора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е.
Индуктивная нагрузка (Ф₁ — 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора Д о т с т а е т по фазе от ЭДС E₀ на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС E₀ (см. рис. 20.5, б). При этом МДС статора (якоря) fi действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения F_B0. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора fi ослабляет магнитное поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка (Ф₁ = - 90°). Так как ток статора Д при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС E₀ на 90°, то своего наибольшего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 20.5, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения F_M. При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.
Смешанная нагрузка. При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора Д сдвинут по фазе относительно ЭДС E₀.

Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной F_ld n поперечной F_lq осям создают в магнитопроводе синхронной машины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков:
по продольной оси

где R_Md и R_Mq — магнитные сопротивления синхронной машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям.
В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям равны (R_Md = R_Mq = R_M).
Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

по продольной оси

где х_а — индуктивное сопротивление реакции якоря, представляющее собой главное индуктивное сопротивление обмотки статора (Ом):

Д — внутренний диаметр сердечника статора, м; f — расчетная длина сердечника статора, м;
В явно полюсных синхронных машинах магнитные сопротивления машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы (R_aq > R_Md):

где R_M — магнитное сопротивление машины при равномерном воздушном зазоре по всему периметру расточки статора.

Различие в значениях магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям оказывает влияние на величины магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря. Количественно это влияние учитывается коэффициентами формы поля.

где x_ad и x_aq — индуктивные сопротивления реакции якоря явнопо-люсной машины: по продольной оси