Уравнения электромагнитного переходного процесса синхронной машины
Общие сведения об электромагнитных переходных процессах
Основными причинами возникновения электромагнитных переходных процессов являются:
· Включение и отключение двигателей и других приемников электрической энергии;
· Короткое замыкание в электрической системе, автоматическое повторное включение линии на сохранившееся короткое замыкание;
· Возникновение местной несимметрии в системе;
· Действие форсировки возбуждения синхронных машин, их развозбуждение;
· Несинхронное включение синхронных машин.
Коротким замыканием называют всякое, не предусмотренное нормальными условиями работы, замыкание между фазами, а в системах с заземленными нейтралями – замыкание одной или нескольких фаз на землю.
В трехфазных системах с заземленной нейтралью различают следующие основные виды коротких замыканий в одной точке:
· Трехфазное короткое замыкание – К(3);
· Двухфазное короткое замыкание – К(2);
· Однофазное короткое замыкание – К(1);
· Двухфазное короткое замыкание на землю – К(1,1).
Симметричным называют такое короткое замыкание, когда при нем все фазы остаются в одинаковых условиях, иначе короткое замыкание называют несимметричным.
Следствиями действия тока короткого замыкания являются:
· Дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого;
· Возникновение больших механических усилий между проводниками;
· Снижение напряжения, приводящее к ухудшению эффективности работы потребителей, авариям на электростанциях и подстанциях;
· Нарушение работы линий связи и сигнализации, за счет наведения дополнительных магнитных потоков;
· Нарушение устойчивости электрических систем.
Токи короткого замыкания с учетом действия устройств релейной защиты обычно существуют непродолжительное время, но их приходится учитывать и тщательно рассчитывать ввиду вышеуказанных последствий. По режиму короткого замыкания должны проверяться
1) В электроустановках выше 1 кВ:
а) электрические аппараты, токопроводы, кабели и другие проводники, а также опорные конструкции для них;
б) воздушные линии при ударном токе короткого замыкания 50 кА и более для предупреждения схлестывания проводов при динамическом действии токов короткого замыкания.
2) В электроустановках до 1 кВ – распределительные щиты, токопроводы и силовые шкафы.
Аппараты, которые предназначены для отключения токов короткого замыкания, должны обладать способностью производить эти операции при всех возможных токах короткого замыкания.
Уравнения электромагнитного переходного процесса синхронной машины
Переходный процесс в электрической машине любого типа может быть описан системой дифференциальных уравнений в той или иной системе координат. Выбор системы координат определяется конкретными условиями решаемой задачи. Дифференциальные уравнения равновесия ЭДС и падений напряжений в каждой из обмоток статора (А, В, С) и ротора (f):
UА=-А/t-RАiA ;
UВ=-В/t-RВiВ ;
UС=-С/t-RСiС ;
Uf=f/t+Rfif ,
где RА, RВ, RС, Rf – активные сопротивления контуров фаз А, В, С и обмотки возбуждения; А, В, С, f - результирующие потокосцепления контуров фаз А, В, С и обмотки возбуждения.
Входящее в эту систему потокосцепление обмотки фазы А выражается уравнением:
А=LАiА+MАВiВ+MАСiС+MАfif ,
где LА – коэффициент самоиндукции обмотки фазы А; MАВ - коэффициент взаимоиндукции обмоток фаз А и В; MАС - коэффициент взаимоиндукции обмоток фаз А и В; MАf - коэффициент взаимоиндукции обмотки фазы А и обмотки возбуждения.
Аналогичными уравнениями выражаются потокосцепления для обмоток других фаз. Закон изменения взаимных индуктивностей между обмоткой возбуждения и каждой фазной обмоткой статора выражается синусоидальной функцией. Систему дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами решить очень сложно. Для её решения существуют несколько способов. Известно, что мгновенные значения фазных величин (U, , i) можно получить как проекции фазных векторов на неподвижную ось времени или как проекции обобщенного вектора на неподвижные магнитные оси фаз. Обобщенный вектор в общем случае может характеризовать фазные величины, изменяющиеся во времени по произвольному закону. Возможность представления трехфазной системы векторов обобщенным вектором существенно упрощает выражение связи между статором и ротором, что позволяет в дифференциальных уравнениях переходного процесса освободится от переменных коэффициентов. Представление фазных величин fА, fВ, fС через обобщенный вектор возможно при условии:
fА+fB+fC=0.
Если сумма фазных переменных не равна нулю, то её целесообразно выразить через новое переменное f0 : fА+fB+fC=3f0. Нулевая составляющая во всех фазах одинакова и тождественна составляющей нулевой последовательности метода симметричных составляющих. Фазные переменные, выраженные через обобщенный вектор:
fА=fcos;
fВ=fcos(-2/3);
fС=fcos(+2/3),
где - угол между векторами fА и f.
Обобщенный вектор можно выразить и в двухосной системе координат. В качестве последней удобно выбрать декартовые ортогональные координаты. Преобразование координат соответствует замене переменных. Проекции вектора f (рис.3.5.) на оси х и у:
fХ=fcos(-);
fУ=fsin(-),
где - угол между магнитной осью фазы А и осью Х.
Применение новой системы координат сокращает переменные коэффициенты. Значительные упрощения можно достичь, используя декартову систему координат, жестко связанную с ротором синхронной машины. Эту систему координат сокращенно обозначают и называют d, q и 0 (рис.3.6). Поскольку фазные обмотки синхронной машины, расположенные в осях d, q, неподвижны относительно ротора, все индуктивности такой машины постоянны. Фазные переменные в системе координат d, q и 0:
fА=fdcos+fqsin+f0;
fВ=fdcos( - 2/3)+fqsin( - 2/3)+f0;
fС=fdcos(+2/3)+fqsin(+2/3)+f0,
где =сt+0 – угол, характеризующий положение ротора в пространстве; с - синхронная угловая скорость, 0- начальный уг
Фазные переменные напряжения, тока в системе координат d, q и 0:
UА=Udcos+Uqsin+U0;
iА=idcos( - 2/3)+iqsin( - 2/3)+i0;
А=dcos(+2/3)+qsin(+2/3)+0.
Подставляя фазные переменные в дифференциальное уравнение равновесия обмотки фазы А получим уравнения Парка-Горева:
Ud=-d/t-q/t-Rid ;
Uq=-q/t-d/t-Riq ;
U0=-0/t-Ri0 ,
где d/, q/t, 0/ – ЭДС трансформации, которые вызываются изменением величин потокосцеплений; q/ и d/t – ЭДС вращения (скольжения).
70.
71. Переходные э. д. с. и реактивности синхронной машины.
Обратимся к синхронной явнополюсной машине без демпферных (успокоительных) обмоток. При КЗ в статорной цепи возникает переходный процесс, приводящий к изменению токов и напряжений предшествующего режима. Выясним, какими ЭДС и реактивностями можно характеризовать синхронную машину в начальный момент переходного процесса с целью расчета периодической составляющей тока КЗ для .
Постановка задачи обусловлена тем, что синхронная ЭДС ( ), характеризующая машину в установившемся режиме, в момент КЗ скачкообразно изменяется. В силу этого она неизвестна и неприемлема для расчета переходного режима, равным образом как и
и
, связанные с
.
Для решения поставленной задачи обратимся к балансу магнитных потоков в продольной оси ( ) синхронной машины для нормального нагрузочного режима (рис. 4.4, а). В указанной оси взаимодействуют две магнитосвязанные обмотки: обмотка возбуждения и обмотка статора.
В режиме холостого хода ток обмотки возбуждения создает магнитный поток
, состоящий из потока рассеяния ротора
и полезного потока
:
![]() | (4.5) |
где: – реактивность рассеяния обмотки возбуждения;
– индуктивное сопротивление реакции статора по оси
;
– полная индуктивность обмотки возбуждения.
Полезный поток при вращении ротора обуславливает в статоре синхронную ЭДС, которые в системе относительных единиц одинаковы:
![]() |
В ненасыщенной машине поток составляет некоторую постоянную долю потока
, которая характеризуется коэффициентом рассеяния обмотки возбуждения
![]() | (4.6) |
В нагрузочном режиме продольная составляющая тока статора создает поток реакции статора
, который пронизывает обмотку возбуждения. В соответствии с этим полное потокосцепление обмотки возбуждения в нагрузочном режиме определяется выражением:
![]() | (4.7) |
Согласно принципа Ленца при внезапном изменении режима магнитосвязанных контуров результирующее потокосцепление обмотки возбуждения остается неизменным. Физически это означает, что в начальный момент КЗ потоки
и
можно представить как их значения в нормальном режиме (
) плюс соответствующие им приращения
и
. Однако приращения потоков компенсируют друг друга, т.е.
![]() |
оставляя неизменным значение , согласно выражения (4.7).
Для решения ранее сформулированной задачи используем неизменность . Зная коэффициент рассеяния
, выделим ту часть
, которая связана со статором
![]() | (4.8) |
Именно это потокосцепление и обусловленная им ЭДС в обмотке статора
сохраняют в начальный момент переходного процесса свое предшествующее значение.
Придадим выражению (4.8) более наглядный вид:
В окончательной форме поперечная переходная ЭДС запишется так:
![]() | (4.9) |
где:
![]() | (4.10) |
– продольная переходная реактивность; приводиться в паспортных данных машины;
– реактивность рассеяния статорной обмотки.
Начальное значение определяется выражением (4.9) по параметрам
и
, с которыми работала машина до нарушения режима.