Электрические машины конспект лекций

величины Ì – М (точка D). В результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол — возрастать. Возрастание угла может привести к двум результатам: 1) машина перейдет в точку устойчи- вой работы (аналогичную точке À) на последующих положительных полуволнах; 2) ротор по инерции проскочит устойчивые положения, при этом произойдет выпадение из синхронизма, т. е. ротор начнет вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Выпадение из синхронизма является аварийным режимом,

так как оно сопровождается протеканием по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора E и напряжение сети Uñ при указанном режиме могут складываться по контуру «генератор—сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе.

Если внешний момент по какой-либо причине снижается, то при работе машины в точке Ñ угол уменьшается, электромагнитный момент возрастает, что приводит к дальнейшему уменьшению угла и переходу к работе в устойчивой точке À.

Из рассмотрения рис. 16.4, à следует, что синхронная маши-

на работает устойчиво, если dM 0, и неустойчиво, если d

dM 0; чем меньше угол , тем больший запас устойчивости d

имеет машина.

Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле , то малое отклонение от этого угла сопровождается возникновением момента

M dM , d

который стремится восстановить исходный угол . Этот момент называют синхронизирующим. Ему соответствует понятие синхронизирующей мощности

Pýì dPýì .

d

191

Производные dM è dP называют соответственно удельным d d

синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью (иногда их называют коэффициентами синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности). При неявнополюсной машине

Удельный синхронизирующий момент имеет максимальное

значение при 0, с возрастанием он уменьшается; при

2 он обращается в нуль, поэтому синхронные машины обычно работают c 20–35°, что соответствует двукратному или большему запасу по моменту.

Статическая перегружаемость синхронной машины оценивается отношением

Согласно ГОСТу это отношение для мощных генераторов должно быть не менее 1,6–1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности — не менее 1,65.

16.3. Влияние тока возбуждения на устойчивость

Устойчивость генератора при заданной величине активной мощности, отдаваемой в сеть, зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения возрастает ЭДС E0, а следовательно, и момент Mìàêñ; при этом увеличивается устойчивость машины.

Íà ðèñ. 16.4, á изображены угловые характеристики при различных токах возбуждения (при различных E0), откуда следует, что чем больше ток возбуждения, тем меньше угол при задан-

ной нагрузке, а следовательно, тем больше отношение M ìàêñ

M íîì

и перегрузочная способность генератора.

192

Лекция 17

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ ВКЛЮЧЕНИИ С СЕТЬЮ

Способы регулирования. Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью большой мощности, осуществляется путем изменения внешнего момента и тока возбуждения. Чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируют и ток возбуждения, и вращающий момент.

Методически проще разобрать два предельных случая регулирования:

а) момент при неизменном токе возбуждения; б) ток возбуждения при неизменном внешнем моменте.

17.1.Работа генератора

ñнеизменным током возбуждения

Для генератора с неявновыраженными полюсами векторную диаграмму (рис. 17.1, à) строят по уравнению

Вектор напряжения сети U c по контуру обмотки генератора имеет направление, встречное вектору напряжения генератора,

ò. å. U U c .

Если генератор работает с cos 1, то вектор тока якоря I a1

совпадает по направлению с вектором напряжения U, а вектор

194

Рис. 17.1. Векторные диаграммы синхронного генератора при различных режимах нагрузки

ÝÄÑ E 01 опережает эти векторы на угол 1 . При изменении нагрузки, например при ее возрастании, следует увеличить момент, приложенный к валу генератора. При этом угол должен увеличиться до какого-то значения 2 в соответствии с возрастанием мощности со значения P1 äî P2.

Принимая полезную мощность (отдаваемую в сеть) равной

электромагнитной P m E 0 U sin , для соотношения мощно-

X ñí

ñòåé P1 è P2 получим

195

Таким образом, при увеличении мощности с P1 äî P2 вектор

напряжения jI a 2 X ñí , а его модуль определится из соотношения

При уменьшении мощности с P1 äî P3 следует уменьшить момент, приложенный к валу генератора. При этом новый угол 3 будет меньше угла 1 . Построение всех векторов (см. рис. 17.1, à) на диаграмме и в этом случае аналогично описанному в предшествующем примере.

Приведенные диаграммы показывают, что при изменении внешнего момента, приложенного к валу синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, изменяется не только активная мощность, но и реактивная. Следовательно, для того, чтобы обеспечить наиболее благоприятный или требуемый режим работы генератора, при изменении активной мощности необходимо регулировать и ток возбуждения.

17.2. Работа генератора с неизменным моментом

Неизменность внешнего момента на валу генератора эквивалентна неизменности его мощности P mUI a cos . При работе на сеть большой мощности U U c const, следовательно, при изменении тока возбуждения останется постоянной активная составляющая тока якоря I a cos const. На векторной диаграмме (рис. 17.1, á) это условие выразится в том, что конец вектора тока I a будет скользить по прямой ÀÂ, перпендикулярной

вектору напряжения U. Однако при неизменной мощности (для

196

машины с неявновыраженными полюсами) справедливо будет

условие P mE 0U sin const. При изменении тока возбужде-

X ñí

ния остаются неизменными все величины, кроме E0 и sin ; следовательно, условие неизменной мощности приводит к условию E 0 sin const. На диаграмме это условие выразится в том, что

конец вектора E 0 скользит по прямой CD, параллельной вектору

для трех значений тока Iâ (эти вектора имеют индексы 1, 2 è 3). Минимальному значению тока Ià соответствует режим работы при cos 1, чему отвечает определенный ток возбуждения. При увеличении тока возбуждения свыше этого значения или уменьшения его ток Ià возрастает.

Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая

U-образной характеристикой, представлена на рис. 17.2. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбуждения, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем больше ток возбуждения, отвечающий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная че- рез точки минимумов, соответствует режимам работы генератора с cos 1.

ВОПРОСЫ

17.2.1. Чем объяснить некоторое отклонение кривой cos 1 (пунктирная кривая на рис. 17.2) вправо?

17.2.2.Каковы угловые характеристики электромагнитной мощности (момента) явнополюсного и неявнополюсного синхронных генераторов?

17.2.3.От чего зависит значение максимальной электромагнитной мощности?

17.2.4.Покажите на угловых характеристиках область устойчивой работы генератора и поясните условия его устойчи- вой работы.

197

Лекция 18

СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Условия работы. Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с

частотой сети соотношением n2 n1 60 f , что является важ- p

нейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

18.1. Векторные диаграммы

По основным комплексным уравнениям синхронной машины могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в указанные уравнения вместо напряже-

ния машиныU надо подставить U ñ , так как не принято говорить о «напряжении двигателя»; при этом для неявнополюсной и явнополюсной машин будем иметь

Построение векторных диаграмм (рис. 18.1, à è á) ïî ôîð-

мулам рекомендуется начинать с изображения векторов U ñ è

U ñ . Далее строится вектор тока I à , активная составляющая ко-

торого совпадает с направлением вектора U ñ , и определяется

199

му на векторной диаграмме соответствуют ток Ia1 è óãîë 1 . Ñ ïî-

E 0 const; U ñ const) вектор тока I a 2 также поворачивается вокруг точки О (рис. 18.2, à), располагаясь перпендикулярно векторуjI a 2 X ñí . Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя I a 2 будет иметь отстающую реактивную составляющую. Если нагрузка двигателя уменьшится по сравнению с исходной, то угол уменьшится до значения 3 . При этом ток двигателя I a 3 будет иметь опережающую реактивную составляющую.

Следовательно, изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его cos : при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения, и двигатель может работать с cos 1 или с опережающим током; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.

Если при неизменной активной мощности менять ток возбуждения, то будет меняться только реактивная мощность, т. е. ве-

200