Основные характеристики синхронной машины

Под холостым ходом, или в зарубежной терминологии работа с открытым контуром, понимается режим работы генератора, при котором ток в обмотке статора (якоря) равен нулю. Обмотка статора при этом, не присоединена ни к какой нагрузке. Магнитное поле в генераторе при холостом ходе создаётся только магнитодвижущей силой (МДС ) обмотки возбуждения, иными словами, произведением тока обмотки возбуждения на число её витков на одном полюсе ротора.

Магнитное поле возбуждения, как уже отмечалось ранее, индуктирует ЭДС обмотки статора . Зависимость от (или ) называется характеристикойхолостогохода (XXX). XXX снимается при постоянной частоте вращения ротора , т.е. при постоянной частоте изменения ЭДС обмотки статора.

Начальная часть XXX (рис. 5.11, а) линейна, а при дальнейшем увеличении тока возбуждения пропорциональный рост замедляется. Это явление вызвано так называемым насыщением ферромагнитного магнитопровода электрической машины. Изменение частоты вращения ротора пропорционально сказывается на значениях ЭДС обмотки статора.

а) б)

Рисунок 5.11 Характеристики холостого хода (а) и короткого замыкания (б)

При холостом ходе все ЭДС генератора равны напряжению на его зажимах

.

Если генератор работает с нагрузкой, то по рис.5.4. можно найти обобщённый вектор намагничивающего тока, приведенный к виткам ротора, т.е. при индуктивном токе

.

Отложив этот ток по оси абсцисс, по характеристике холостого хода можно найти ЭДС , соответствующую потоку воздушного зазора. Следовательно, в этом случае ХХХ выражает зависимость и определяет степень насыщения машины под действием результирующей намагничивающей силы ротора и статора.

Зависимости токов КЗ в обмотке статора от токов обмотки возбуждения при коротком замыкании зажимов обмотки статора, называются характеристикамикороткогозамыкания (ХКЗ) (рис. 5.11,б). В отличие от XXX, эти характеристики линейны, так как магнитное поле генератора в этом режиме определяется магнитодвижущими силами двух обмоток, статора и ротора, действующими навстречу друг другу.

Это приводит к уменьшению результирующего магнитного потока и исчезновению насыщения магнитопроводов. ХКЗ зависят от вида КЗ (трёхфазное, двухфазное, однофазное). С помощью ХКЗ (рис.5.12) определяется отношение короткого замыкания (ОКЗ) . Рисунок 5.12 Характеристики холостого хода и короткого замыкания для определения ОКЗ и

 

 

ОКЗ равно относительному установившемуся току при трёхфазном КЗ на выводах генератора при относительном токе возбуждения, равном единице. Отсюда с помощью закона Ома можно определить ненасыщенное реактивное сопротивление обмотки, соответствующее её продольному потоку

.

Вследствие насыщения индуктивность реакции статора и полная индуктивность с учётом рассеяния уменьшаются. При КЗ насыщение магнитопровода СГ практически отсутствует и удобно принять неизменным, соответствующим магнитному состоянию машины при холостом ходе и номинальном напряжении. Действительная характеристика холостого хода при этом заменяется спрямлённой, проходящей через точку с координатами (1,1), т.е. из рис.5.12.

; .

В таблице приведены примерные параметры в относительных единицах генераторов средней мощности (менее 10 МВт).

 
ТГ 0,7 1,72 1,72 1,43 1,43 0,11 0,125 2,26 3,96
ГГ 1,1 0,96 0,65 0,91 0,65 0,17 0,2 1,8 3,15

5.6. Влияние и учёт нагрузки в разные моменты времени КЗ

В установившемся режиме КЗ влияние нагрузки проявляется, с одной стороны, в том, что генератор, с присоединённой активно- индуктивной нагрузкой (отстающим током) имеет большее возбуждение, чем генератор, работающий в режиме холостого хода, и, с другой стороны в том, при наличии нагрузки существенно меняются величины и распределение токов в элементах энергосистемы.

Из схемы (рис.5.13) видно, что нагрузка шунтирует повреждённую ветвь и тем самым уменьшает внешнее сопротивление в цепи статора. Это приводит к увеличению тока генератора, уменьшения его напряжения и, соответственно, пропорциональному уменьшению тока в месте короткого замыкания. С увеличением удалённости короткого замыкания влияние нагрузки проявляется сильнее; напротив при КЗ на выводах генератора влияние нагрузки не сказывается. Рисунок 5.13 Схема для оценки влияния нагрузки в установившемся режиме трёхфазного короткого замыкания

Нагрузку в схеме установившегося режима любого момента времени короткого замыкания, кроме начального, можно представить в виде сопротивления. Оценим величину сопротивления нагрузки. Промышленная нагрузка состоит преимущественно асинхронных двигателей, сопротивление которых зависит от скольжения; последнее в сою очередь определяется напряжением на зажимах двигателя в рассматриваемом аварийном режиме. Эти зависимости нелинейны, что усложняет точный учёт нагрузки.

Пусть генератор с ЭДС и реактивностью работает на чисто индуктивную цепь, реактивность которой . Напряжение на зажимах генератора с одной стороны

, (5.5)

а с другой,

. (5.6)

Решая совместно (5.5) и (5.6), определим реактивность нагрузки

. (5.7)

Как видно из (5.7), величина определяется параметрами генератора, через значение . При средних значениях параметров типовых генераторов, работающих с полной нагрузкой при 0,8 относительная величина реактивности нагрузки составляет . Эта средняя величина используется в расчётах; она отнесена к полной рабочей мощности нагрузки и среднему номинальному напряжению ступени, где присоединена нагрузка.

5.7. Влияние и учёт АРВ

Снижение напряжения, вызванное коротким замыканием, приводит в действие автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) генераторов и их ток возбуждения возрастает; при этом токи и напряжения в системе будут больше, чем при отсутствии АРВ. Степень влияния АРВ зависит от удалённости короткого замыкания и параметров самих генераторов.

При относительно удалённом коротком замыкании для восстановления напряжения до нормального (номинального) достаточно незначительно увеличить ток возбуждения. По мере приближения точки КЗ к генератору требуется всё большее возбуждение. Однако максимальный ток возбуждения ограничен известным пределом .

Для каждого генератора существует наименьшая величина внешней реактивности, при КЗ за которой генератор при предельном возбуждении обеспечивает нормальное напряжение на выводах. Эта реактивность называется критической реактивностью , а связанный с ней ток

- критическим током.

Если внешняя реактивность меньше критической, то, несмотря на работу генератора с предельным возбуждением, его напряжение всё равно остаётся ниже нормального. Если внешняя реактивность больше критической, то напряжение генератора достигает номинального значения при токе возбуждения, меньшим предельного.

Таким образом, при коротком замыкании генератор с АРВ в зависимости от внешней реактивности может работать только в одном из двух режимов: предельного возбуждения или нормального напряжения. Если , то оба режима существуют одновременно. Критерием для оценки возможности возникновения первого или второго режимов служит критическая реактивность, величина которой может быть определена по (5.4), если положить , тогда

.

В таблице приведены все соотношения, характеризующие указанные выше возможные режимы генератора при коротком замыкании.

Режим предельного возбуждения Режим нормального напряжения

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 5

1. Устройство и работа синхронного генератора в установившемся режиме.

2. Обобщённый вектор трёхфазной системы.

3. Основные характеристики синхронной машины.

4. Приведение цепи ротора к статору.

5. Влияние и учёт нагрузки в разные моменты времени КЗ.

6. Влияние и учёт АРВ.

7. Понятие критической реактивности.