Общая теория переходных процессов в синхронных машинах?

Процессы, возникающие в синхронных машинах при переходных режимах, например при внезапном коротком за мыкании или резком изменении нагрузки, весьма сложны, что вызывает значительные трудности при их точном коли­чественном расчете. Однако поведение синхронной машины при указанных режимах имеет очень большое практическое значение, так как переходные процессы могут вызвать повре­ждение машины, а следовательно, и значительные убытки, связанные с перерывом энергоснабжения объектов, получаю­щих питание от генератора, или прекращением работы элек­троприводов с синхронными двигателями.

Поэтому необхо­димо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно значение аварийных токов, возникающих при коротком замыкании.

Внезапное короткое замыкание генератора.Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря i_к в одной из фаз генерато­ра, тока возбуждения i_в и тока i_д в демпферной обмотке показаны на рис. 8.43. Ток якоря i_к при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

(8.49)

Можно предположить, что закон изменения тока якоря подобен изменению тока трансформатора при коротком за­мыкании. Однако более подробный анализ показывает, что

процесс короткого замыкания в синхронном генераторе зна­чительно сложнее, чем в трансформаторе.

При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составля­ющей тока генератора (рис. 8.44); в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:

(8.50)

В первом полупериоде амплитуда периодической соста­вляющей в 5. 8 раз превышает величину1_кт. Это обусловле­но тем, что в начальный момент процесса короткого замы­кания ЭДС синхронного генератора близка к ЭДС холостого хода Е_о и только через 0,6. 1,5 с становится равной

Быстрому уменьшению ЭДС Ε и потока Ф_рез препятствует появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 8.43,5) вследствие того, что в ней индуцируется ЭДС

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

(8.51)

где X’_d — продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря; обычно значение его в относительных единицах X’_d* = 0,2. 0,5.

Поскольку амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания постепенно затухает, приближаясь к установившемуся значению I_кт, и индуктивное сопротив­ление синхронной машины значительно больше активного, т. е. угол φ_K = arctg(X_K/R_K) π/2, то периодическая состав­ляющая

(8.52)

Переходная постоянная времени T_d = 0,4. 3,0 с, определя­ющая затухание тока i_к.п, зависит не только от параметров обмотки якоря, но и главным образом от параметров обмот­ки возбуждения.

Если машина имеет демпферную обмотку, то в ней также возникает переходный ток (см. рис. 8.43, в), замедляющий уменьшение результирующего потока. При этом амплитуда тока к. з. больше, чем при отсутствии демпферной обмотки

(8.53)

где Χ»_d — сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси; обычно Χ»_d* = 0,12 . 0,35.

Затухание тока якоря определяется сверхпереходной по­стоянной времени Τ»_d = 0,03 . 0,15 с, которая зависит в основ­ном от параметров демпферной обмотки. С учетом этого пе­риодическая составляющая тока к. з.

(8.54)

Поскольку ЭДС в фазах обмотки якоря сдвинуты по времени, начальный угол α 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 несимметричен (из-за разных величин воздушного зазора в явнополюсных машинах и из-за того, что по продольной оси имеется обмотка воз­буждения), то в апериодическом токе якоря появляется пере­менная составляющая двойной частоты:

(8.55)

где X»_q — поперечное сверхпереходное индуктивное сопроти­вление обмотки якоря; Τ_a = (Χ»_d + Χ»_q)/(ωΚ_α) — постоянная вре­мени апериодического тока якоря.

При наличии демпферной обмотки X»_q обычно мало отличается от Χ»_d и тогда

(8.56)

(8.57)

Значение тока к. з. максимально в той фазе, где α = 0 (примерно через полпериода после начала короткого замыка­ния); это значение называют ударным током. Если в формуле (8.57) пренебречь затуханием тока, то

(8.58)

Поскольку постоянные времени Т»_d и T’_d малы, некоторое затухание все же происходит. По ГОСТу значение ударного тока

(8.59)

где коэффициентами 1,8 и 1,05 учитываются соответственно затухание и возможность работы при повышенном напряже­нии. Значение ударного шока не должно превышать амплитуду номинального тока якоря более чем в 15 раз. Так как зна­чения Χ»_d и Х’_d сравнительно малы, то для ограничения удар­ного тока в· цепь якоря иногда ставят специальный реактор.

При коротком замыкании синхронного генератора возни­кает также знакопеременный момент на валу ротора, который образуется в результате взаимодействия неизменного по на­правлению магнитного поля, создаваемого апериодической составляющей тока якоря с МДС возбуждения. В наиболее неблагоприятных случаях мгновенные значения этого мо­мента достигают 10-кратного значения по сравнению с номи­нальным значением, что необходимо учитывать при механи­ческих расчетах деталей машины и надежности ее крепления к фундаменту.

Резкие изменения нагрузки.При резких изменениях нагруз­ки синхронной машины, работающей параллельно с сетью,

возникают колебания ротора около установившегося значения угла θ, называемые качаниями. Допустим, что машина работает при некото­рой нагрузке и развивает электромагнитный момент М₁ = М_вн1, со­ответствующий углу θ₁ (рис. 8.45, а, б). Если резко увеличить внешний момент, приложенный к валу ротора, до значения М_ВН2, при котором возрастает отдаваемая машиной электрическая (в генера­торе) или механическая (в двига­теле) мощность, то угол θ будет постепенно увеличиваться до значе­ния θ₂,соответствующего новому значению электромагнитного моме­нта М₂ = М_вн2. Однако из-за инер­ции ротора угол θ, увеличиваясь, достигает значения θ₃>θ₂, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до значения θ₄

Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ), напряжения и реактивной мощности

Автоматическое регулирование возбуждения производится на синхронных машинах к которым относятся генераторы, двигателя обладающие высоким значением мощности и для синхронных компенсирующих устройств, используются для машин постоянного тока и в устройствах где может быть выполнено регулировка напряжения непосредственно на токосъемных кольцах обмотки возбуждения.

Главное предназначение АРВ заключается в поддержке неизменной величины напряжения в электросети на заданном уровне и для равномерного распределения реактивной мощности среди конденсаторных и тиристорно-конденсаторных батарей, являющихся источниками реактивной мощности. Для демпфирования колебаний по всем параметрам при переходе от аварийного режима к нормальному режиму работы электросети

При выполнении действия АРВ изменению подвергаются ток возбуждения машины, величина магнитного потока и ЭДС непосредственно в якорных обмотках.

Регулирование возбуждения в синхронных генераторах проводится с целью сохранения постоянного и устойчивого значения напряжения в сетях напряжения и для обеспечения параллельной работы устройств.

Машины постоянного тока регулируются для создания постоянного, устойчивой величины частоты вращения рабочей части оборудования, при влиянии на значение тока возбуждения оборудования.

АРВ различается по признаку действия:

1. Пропорциональное действие — зависит от изменения значения величины тока возбуждения относительно изменению напряжения на контактах оборудования от предусмотренного параметра.
2. Сильное действие, оборудование с таким регулированием применяется в случаях присутствия резкопеременых мощностей после чего появляется высокое колебание значения напряжения. В результате АРВ сильного действия происходит регулирование по производным всех параметров как-то: сила тока, напряжение, частота и так. далее. АРВ сильного действия способствует передаче больших мощностей по высоковольтным линиям на большие расстояния.

Пункт автоматического регулирования напряжения (ПАРН)

Устройство ПАРН рекомендуется применять в условиях сложной эксплуатации высоковольтных электрических линий 6 – 10 кВ трехфазной сети умеренного и сурового климата в котором господствуют: сильный ветер и гололед с интенсивным оледенением проводов, а также при высокой снеговой нагрузке до 250 кгс/м 2 .

Высокая протяженность воздушных линий электропередач, отражающаяся на качественных показателях электрической энергии и интенсивное присоединение новых электроприемников требует повышения пропускной способности воздушных линий, для решения этой проблемы используется пункт автоматического регулирования напряжения, работающий с применением вольтодобавочных трансформаторов.

Рис №1. Равномерное распределение нагрузок по всей протяженности воздушной линии электропередач: а. при присоединении дополнительных потребителей, б. при подключении ПАРН

Использование ПАРМ способствует улучшению показателей качества электрической энергии,а также избавление от несимметрии напряжения в сети.

Для использования в холодных северных районах в конструкции предусмотрено наличие устройства контропирующего температурный режим, который осуществляет блокировку переключения ступеней при значении температуры, при которой происходит «замерзание», загустение трансформаторного масла.

Для холодных районов ПАРН поставляется в блок-боксе с защитным утеплителем.

Блок автоматического регулирования напряжения (БАРН)

Устройство используется для регулировки высоковольтного напряжения 6 – 10 кВ в трехфазных электрических сетях с любым видом заземляющей нейтрали и может применяться для любых типов распределительных устройств подстанций, в том числе для установки в местах критического падения напряжения.

БАРН способствует повышению пропускной способности как новых, так и уже существующих воздушных линий. Наличие такого оборудования благоприятно сказывается на передаче электроэнергии на большие расстояния и устраняет асимметрию напряжения в электросетях.

Рис №2. Вольтодобавочный автрансформатор используемый в комплектации БАРН, оборудованный 32-ступенчатой регулировкой напряжения

Принцип работы БАРН происходит за счет геометрического сложения напряжений обмоток. Изменение параметров напряжения происходит при изменении полярности последовательной обмотки, при повышении напряжения полярность меняется, при понижении полярность последовательной и основной обмоток совпадает. Регулировка осуществляется электроникой в шкафу управления, которая подает команду электроприводу, перемещающему переключатель в заданное положение.

Рис №3. Электрическая схема БАРН

Автоматическое регулирование возбуждения генератора

АРВ осуществляется для изменения напряжения и тока в роторе,с целью сохранить напряжение в статоре на заданном уровне. При этом регулирование может осуществляться быстро, сверх номинального значения, такое действие называется форсировкой возбуждения.

Те значения параметров тока и напряжения, которые являются наибольшими в возбудителе называются потолком возбуждения. Отношения напряжения или тока в роторе при форсировке к номинальным значениям определяются как кратность форсировки возбудителя.

Автоматическое регулирование возбуждения выполняет следующие функции:

1. Поддержанию уровня напряжения на выводах генератора на определенном уровне.
2. Равномерное распределение реактивной нагрузки между двумя генераторами,подключенными в параллель.
3. Увеличение степени устойчивости генераторов, работающих параллельно.

Существуют 3 группы АРВ:

1. Электромеханические, реагирующие на отклонения напряжения от заданной границы уставки, работают за счет реакции на изменение сопротивления в цепях обмоток возбудителя.
2. Электрические, работают за счет подачи дополнительного тока от выпрямителя в обмотку возбуждения возбудителя от измерительного трансформатора тока или от собственных нужд.
3. Регулирование с выпрямительными системами возбуждения: высокочастотная, тиристорная, бесщеточная, эти виды АРВ служат только для управления возбудителем.