 |
Переходные процессы в синхронных генераторах
|
|
|
|
Рис. 21-12. картина магнитного поля при внезапном к. з.
Принципиальное отличие переходных процессов от рассмотренных ранее установившихся состоит в том, что при установившихся процессах работы синхронного генератора с симметричной нагрузкой в сердечнике и обмотках ротора не индуцируются никакие токи. В то же время при переходных процессах и несимметричных нагрузках между ротором и статором возникают трансформаторные связи.
Наибольший интерес представляет переходный процесс при внезапном трехфазном коротком замыкании синхронного генератора. Переходный процесс при резких изменениях нагрузки, следствием которого являются колебания синхронной машины, был рассмотрен в § 21.4.
При рассмотрении переходного процесса синхронного генератора пренебрегают активным сопротивлением его обмоток, т. е эти обмотки считают сверхпроводниками. Это допущение в значительной степени облегчает изучение процесса, не внося заметной погрешности, особенно для крупных машин, у которых активное сопротивление обмоток весьма мало. Таким образом, прежде чем перейти к рассмотрению внезапного к. з., введем понятие о сверхпроводящем контуре, для которого по второму закону Кирхгофа можно записать 
.
В любой момент времени полное потокосцепление сверхпроводящего контура
(21.21)
где 
и 
, — потокосцепления, обусловленные внешней причиной и самоиндукцией соответственно.
Рассмотрим внезапное трехфазное к. з. синхронного генератора на его зажимах. Будем считать, что предварительно этот генератор работал в режиме х. х., т. е. в нем действовал единственный магнитный поток 
обмотки возбуждения, в которой проходил ток 
. При к. з. появляется вращающийся синхронно с ротором магнитный поток статора по продольной оси (обмотка статора представляет собой чисто индуктивную нагрузку) 
, направленный против потока (рис. 21.12, а). При этом в обмотке возбуждения и в успокоительной обмотке будут индуцироваться дополнительные токи 
и 
, которые в соответствии с правилом Ленца препятствуют изменению результирующего магнитного потока в машине. Эти токи создают собственные магнитные потоки 
и 
, которые противодействуют проникновению потока в сердечник ротора, т. е. будут вытеснять его в воздушный зазор межполосного пространства. В результате поток статора значительно уменьшится до значения 
. Соответственно уменьшится и индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси, достигнув значения 
. Поэтому в начальный момент переходного процесса, называемого сверхпереходным, действующее значение тока внезапного к з. имеет наибольшую величину — ударный ток короткого замыкания
|
|
|
, (21.22)
где 
— сверхпереходное индуктивное сопротивление.
Обмотки возбуждения и успокоительная все же обладают некоторым активным сопротивлением, а поэтому индуцируемые в них дополнительные токи , и будут постепенно затухать. Однако этот процесс затухания протекает неодинаково, так как успокоительная обмотка и обмотка возбуждения имеют разные постоянные времени Т. Обмотка возбуждения, имея значительное число витков по сравнению с успокоительной обмоткой, обладает большей индуктивностью, а поэтому 
.
Поэтому к моменту времени, когда дополнительный ток в успокоительной обмотке уменьшится до нуля, дополнительный ток еще имеет некоторое значение. При этом магнитный поток реакции якоря частично будет проходить через ротор, отчего его значение несколько возрастает до значения 
. Соответственно возрастает индуктивное сопротивление статора по продольной оси, достигнув значения 
,называемого переходным индуктивным сопротивлением. При этом ток внезапного к. з. несколько уменьшится до значения
|
|
|
. (21.23)
Рис. 21.13. Осциллограммы токов при внезапном к. з.
Через некоторое время уменьшится до нуля и добавочный ток в обмотке возбуждения . При этом поток статора будет замыкаться полностью через ротор и его значение станет еще больше (
). Соответственно возрастет и индуктивное сопротивление статора, достигнув значения 
, а ток к. з.
(21.24)
В результате в генераторе установится результирующий магнитный поток (рис. 21.12, б) 
.
С уменьшением магнитного потока, сцепленного с обмоткой статора, уменьшится ЭДС статора до значения 
, что приведет к уменьшению тока к. з. до установившегося значения
. (21.25)
Таким образом, при внезапном трехфазном к. з. происходит постепенное затухание тока к. з. Если, например, пик тока (ударный ток) при внезапном к. з. достигает 15-кратного значения, то установившийся ток к. з. достигает 1,5-кратного (для турбогенераторов) или 2,5-кратного (для гидрогенераторов) значения при токе возбуждения, соответствующем номинальной нагрузке. В некоторых случаях ток 
может оказаться даже меньше номинального. Причина столь малого тока при установившемся к. з. состоит в том, что генератор размагничивается полем реакции якоря.
На рис. 21.13 представлены осциллограммы токов синхронного генератора при внезапном к. з., где отмечены три характерных участка: 
— сверхпереходный процесс; 
— переходный процесс; III — установившееся к. з.
Ударный ток к. з. создает значительные электромагнитные силы, действующие на обмотку статора. Особую опасность эти силы представляют для лобовых частей обмотки, что требует применения специальных мер по их укреплению, особенно в турбогенераторах, где лобовые части имеют значительный вылет.
При внезапном к. з. синхронного генератора возникают также значительные электромагнитные моменты, действующие на статор и ротор. В наиболее неблагоприятных условиях мгновенное значение такого момента достигает десятикратной величины по сравнению с номинальным моментом. Это необходимо учитывать при механических расчетах некоторых деталей машины и ее крепления к фундаменту. Режим короткого замыкания нежелателен еще и потому, что он нарушает параллельную работу синхронных генераторов.
|
|
|
С точки зрения уменьшения ударного тока к. з. полезным является увеличение магнитного потока рассеяния обмотки статора 
, так как это ведет к росту индуктивного сопротивления 
.Однако не следует забывать и о вредном действии магнитного потока рассеяния: уменьшении полезного магнитного потока и росте внутреннего падения напряжения (за счет увеличения индуктивного сопротивления обмотки).
Контрольные вопросы
1. Что такое синхронизация генератора, включаемого на параллельную работу?
2. Как нагрузить генератор, включенный на параллельную работу?
3. Почему с появлением тока нагрузки в цепи статора генератора приводной двигатель получает механическую нагрузку?
4. Что такое коэффициент статической перегружаемости?
5. Какова причина собственных колебаний в синхронном генераторе?
6. Почему колебания ротора имеют затухающий характер?
7. Каково назначение и конструкция успокоительной обмотки?
8. Что такое синхронизирующая способность синхронной машины и какими
параметрами она оценивается?
9. Почему при внезапном к. з. уменьшается индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси?
10. Чем объясняется затухающий характер тока к. з. при внезапном к. з.? 11. Чем опасно внезапное к. з. для синхронного генератора?
|
|
|
