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?