Электрические машины конспект лекций

В рассматриваемой схеме питания вентильного двигателя

угол регулирования 0 практически полностью определяет угол . Если положить 0 , то при постоянных значениях частоты питающего напряжения и тока возбуждения (т. е. f1 è ÝÄÑ E0) формула принимает вид

MmUE 0 sin CU sin const

1 X ñí

при изменении угла регулирования 0 , для поддержания вели- чины момента M неизменной нужно регулировать величину напряжения U, подводимого к двигателю от преобразователя.

В преобразователе частоты, основанном на использовании инвертора тока, большая величина индуктивности L в цепи постоянного тока (см. рис. 18.6, á) позволяет считать, что ток якоря Ià имеет практически прямоугольную форму. Вследствие этого угол опережения 0 определяет положение вектора тока I a íà

диаграмме двигателя относительно положения вектора ЭДС E 0 . Для того чтобы двигатель работал при cos 1, вектор тока I a

должен опережать вектор ЭДС E 0 íà óãîë 0 , который в зависимости от нагрузки составляет 30–60°. Пусковой момент вентильного двигателя максимален при 0 0. Поэтому в электроприводах с тяжелыми условиями пуска сначала регулирование осуществляют при 0 0, а с ростом частоты вращения задают некоторый угол опережения.

При необходимости питания вентильного двигателя от сети трехфазного тока можно применять преобразователи частоты с непосредственной связью, т. е. без промежуточного выпрямителя (рис. 18.7). Преимуществом таких преобразователей является отсутствие узлов принудительной коммутации, так как тиристоры перестают проводить ток после изменения направления напряжения в соответствующей фазе A, B, C источника трехфазного тока. Однако достаточно хорошее приближение формы выходного напряжения к синусоиде и четкое прекращение тока (в необходимый момент) может быть получено только в том случае, если источник трехфазного тока имеет частоту, в 2–3 раза большую, чем выходная частота преобразователя (см. рис. 18.7, á).

211

Рис. 18.7. Вентильный двигатель: à — схема питания от преобразователя частоты с непосредственной связью; á — форма кривой выходного напряжения преобразователя

Следует отметить, что все типы вентильных двигателей не обладают еще достаточно высокой надежностью из-за сложности преобразователей частоты и их схем управления, которые включают большое количество вентилей и других элементов, весьма чувствительных к перегрузкам. Тем не менее вентильные двигатели, как и асинхронные двигатели с частотным регулированием, являются весьма перспективными.

18.5. Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронную машину, предназначенную для генерирования реактивной мощности. Синхронный компенсатор включают в элек-

212

трическую систему с целью повышения ее коэффициента мощности.

Принцип происходящих при этом явлений состоит в том, что необходимую для работы некоторых потребителей реактивную мощность вырабатывает не синхронный генератор, установленный на электростанции, а синхронный компенсатор, установленный в непосредственной близости к потребителю. К числу потребителей переменного тока, требующих значительной реактивной мощности, относятся, в первую очередь, асинхронные двигатели. На рис. 18.8 показана система, состоящая из синхронного генератора (СГ), повышающего ТрI и понижающего ТрII трансформаторов, линии электропередачи (ЛЭП), потребителя Z и синхронного компенсатора, включенного непосредственно на входе потребителя. Синхронный компенсатор, вклю- ченный в сеть, работает как синхронный двигатель без нагрузки (P2 0), т. е. в режиме холостого хода, и при этом, вырабатывает реактивную мощность Qñê, необходимую для работы потребителя Z, например группы асинхронных двигателей. Благодаря этому реактивная мощность в СГ и ЛЭП доведена до некоторого минимального значения Qmin.

Это способствует повышению технико-экономических показателей всей электрической системы.

Для пояснения явлений, связанных с подключением СК к электрической системе,

рассмотрим рис. 18.9. При подключении потребителя Z к сети с напряжением Uñ (ñì. ðèñ. 18.9, à) в сети возникает ток I z , îò-

стающий по фазе от напряжения U ñ íà óãîë 2 , обусловленный значительной индуктивной составляющей тока Iz.

При подключении СК параллельно потребителю Z и создании в СК режима перевозбуждения (см. рис. 18.9, á) â ñåòè ïîÿ-

213

Фазовый сдвиг этого тока относительно напряжения сети U c (óãîë c ) намного меньше угла фазового сдвига до включения СК (угол 2 ). Кроме того, ток Iñ станет меньше (I ñ I z ). В этом можно убедиться исходя из следующих соображений. Так как СК работает без нагрузки на валу, то его активная мощность не велика и определяется потерями холостого хода в компенсаторе. Пренебрегая этими потерями, можно активную мощность в сети до подключения СК

приравнять к активной мощности сети после подключения СК:

Íî òàê êàê Pñ Pñ , a cos ñ cos 2 , òî I ñ I z . В результате синхронный генератор и линия электропередачи разгружаются, и потери мощности в них уменьшаются.

Рис. 18.9. Применение синхронного компенсатора для повышения коэффициента мощности сети

В некоторых случаях СК работают с недовозбуждением. Необходимость в этом возникает, если ток в системе содержит зна- чительную емкостную составляющую, которая не компенсируется индуктивной составляющей тока потребителей. Обычно степень возбуждения СК регулируют посредством автоматиче- ских устройств.

Синхронные компенсаторы применяют также для стабилизации напряжения в сети при передаче энергии по линиям большой протяженности. При больших индуктивных нагрузках на-

214

Лекция 19

ПОНЯТИЕ О ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

ÂСИНХРОННЫХ МАШИНАХ

19.1.Внезапное короткое замыкание генератора

ные убытки, связанные с перерывом энергоснабжения объектов, получающих питание от генератора, или с прекращением работы электроприводов с синхронными двигателями. 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.

Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в ре-

216

жиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря iê в одной из фаз генератора, тока возбуждения iâ è òîêà iä в демпферной обмотке показаны на рис. 19.1. Ток якоря iê при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

iê iê.ï iê.a .

На первый взгляд изменение тока якоря напоминает закон изменения тока трансформатора при коротком замыкании. Однако более подробный анализ показывает, что процесс короткого замыкания в синхронном генераторе значительно сложнее, чем в трансформаторе.

Рис. 19.2. График изменения тока в обмотке якоря при коротком замыкании

При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей тока генератора (рис. 19.2), в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:

iê.m 2E 0 E m . X d X d

В первом полупериоде амплитуда периодической составляющей в 5–8 раз превышает величину Iê.m. Это обусловлено тем, что в начальный момент процесса короткого замыкания ЭДС синхронного генератора близка к ЭДС холостого хода E0, и только через 0,6–1,5 с становится равной

217

Быстрому уменьшению ЭДС E и потока Фðåç препятствует появление переходного тока в обмотке возбуждения (см. рис. 19.1, á) вследствие того, что в ней индуктируется ЭДС

eâ wâ d ðåç .

dt

Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно уменьшается до установившегося значения тока, предшествующего короткому замыканию. В соответствии с этим снижаются поток Фðåç и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды

ãäå X d — продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря; обычно величина его в относительных единицах X d * 0,2–0,5.

Поскольку амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания постепенно затухает, приближаясь к установившемуся значению Iê.m, и индуктивное сопротивление син-

Переходная постоянная времени Td 0,4–0,3 с, определяющая затухание тока iê.m, зависит не только от параметров обмотки якоря, но и главным образом от параметров обмотки возбуждения.

Если машина имеет демпферную (успокоительную) обмотку, то в ней также возникает переходный ток (см. рис. 19.1, â), замедляющий уменьшение результирующего потока. При этом

218

амплитуда тока короткого замыкания будет большей, чем при отсутствии демпферной обмотки

ãäå X d — сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси; обычно X 0,12–0,35.

Затухание тока якоря определяется сверхпереходной постоянной времени Td 0,03–0,15 с, которая зависит в основном от параметров демпферной (успокоительной) обмотки. С учетом сказанного периодическая составляющая тока короткого замыкания

Поскольку ЭДС в фазах обмотки статора сдвинута по времени, начальный угол 0 для них различен, а следовательно, различны и токи фаз в переходном периоде.

Апериодические составляющие токов в фазах якоря создают неподвижное в пространстве магнитное поле, которое пересекает вращающийся ротор. Вследствие этого в обмотках ротора возникают периодические ЭДС и токи. Так как по продольной и поперечной осям ротор не симметричен (из-за разных величин воздушного зазора в явнополюсных машинах и из-за того, что по продольной оси имеется обмотка возбуждения), то в апериоди- ческом токе якоря появляется переменная составляющая двойной частоты:

219

ãäå X q — поперечное сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки якоря;

Tà — постоянная времени апериодического тока якоря,

Ta X d X q .Ra

При наличии успокоительной обмотки X q обычно мало отличается от X d , и тогда

Значение тока короткого замыкания будет максимальным в той фазе, где 0 = 0 (примерно через полпериода после начала короткого замыкания); эту величину называют ударным током. Если в формуле (19.6) пренебречь затуханием тока, то

Поскольку постоянные времени Td è Td малы, некоторое затухание все же происходит. По ГОСТу значение ударного тока

где коэффициентами 1,8 и 1,05 учитываются соответственно затухание и возможность работы при повышенном напряжении. Величина ударного тока не должна превышать амплитуду номинального тока якоря более чем в 15 раз. Так как значе- ния X d è X d сравнительно малы, то для ограничения величины ударного тока в цепь якоря иногда приходится ставить специальный реактор.

220