Динамическая устойчивость С.Г

Выше было показано, динамической устойчивостью называют способность С.Г. оставаться в синхронизме с сетью большой мощности при резких, больших возмущениях, то есть изменениях нагрузки, напряжения сети, мощности первичного двигателя, тока возбуждения С.Г. и др. Рассмотрим этот режим с помощью угловой характеристики С.Г. и формулы электромагнитной мощности

;

Допустим, что С.Г. работает в точке А угловой характеристики, показанной на рисунке 6.

Если в какой-то момент времени произошло уменьшение тока возбуждения I_в и соответственно уменьшилась ЭДС синхронного генератора, то он мгновенно «перейдет» с характеристики Р_ЭМ = f(q) на характеристику Р^**_ЭМ = f(q). При этом угол q не изменится (за счет инерции ротора), а электромагнитная мощность С.Г. и его тормозной электромагнитный момент уменьшится. Режим работы С.Г. из точки А перейдет в точку А^*. Это значит, что тормозной электромагнитный момент С.Г. станет меньше вращающего момента первичного двигателя. Благодаря этому возникнет ускорение ротора С.Г., угол q будет возрастать и через какое-то время достигнет значения q^**. Однако на этом процесс изменения угла q не прекратиться. За счет полученного от первичного двигателя ускорения инерции ротор будет увеличивать угол q, вследствие чего тормозной момент С.Г. станет больше вращающего момента первичного двигателя. Это приведет, что ускорение ротора прекратиться и угол q достигнет какого-то значения q^***. Если это значение угла q не окажется больше величины q_В ^**, то под действием тормозного электромагнитного момента С.Г., соответствующего точке А^***, начнется уменьшение угла q. Процесс его изменения будет аналогичен вышеизложенному, но в обратном порядке. После достижения значения q (приход режима работы С.Г. в точку А^*) процесс изменения угла повторится. Если не учитывать сил трения, то возникнет процесс колебаний ротора (угла q) относительно значения q^**. В реальных условиях колебания будут затухающими.

Если при первоначальном отклонении ротора угол q достигнет значения q_В ^** и больше, то затухающих колебаний ротора не будет, а С.Г. выходит из синхронизма со всеми вытекающими из этого последствиями.

Можно показать, что в процессе колебаний ротора относительно точки q_В ^** заштрихованные на рисунке площадки

будут примерно равны по площади и называются: площадка ускорения площадка торможения Их равенство отвечает закону сохранения энергии. Изложенное показывает, что физическая сущность понятия «динамическая устойчивость» состоит в том, что при больших резких возмущениях отклонение ротора от точки устойчивого равновесия (значение угла q, соответствующее точке А на угловой характеристике) не должно достигнуть или превзойти значения угла q_В ^**, которое соответствует точке В^** на угловой характеристике. В противном случае С.Г. выходит из синхронизма и динамическая устойчивость не реализуется.

Нетрудно заметить, что при больших нагрузках и значениях угла q_А динамическая устойчивость хуже, чем при малых нагрузках. Из формулы электромагнитной мощности видно, что для повышения динамической устойчивости следует увеличить максимум угловой характеристики. Это достигается форсировкой возбуждения с целью увеличения ЭДС генератора. При проектировании С.Г. желательно уменьшать синхронное сопротивление Х_с = Х_а + Х_s, что ведет к увеличению ОКЗ генератора и соответственно динамической устойчивости.

Кроме того, следует учитывать, что при резких колебаниях ротора (изменениях угла q) как при всяких переходных процессах происходит взаимное вытеснение магнитных полей, создаваемых токами в обмотках С.Г. на пути рассеяния, что сопровождается уменьшением индуктивного сопротивления и повышением динамической устойчивости С.Г. В реальных условиях синхронные генераторы, особенно явнополюсные гидрогенераторы при работе параллельно с мощной сетью обладают достаточно высокой устойчивостью и свойством саморегулирования.

Для количественной оценки этого свойства используем характеристику С.Г. Допустим, что С.Г. работает при какой-то нагрузке в точке А. Если вращающий момент М_дв первичного двигателя и его мощность Р_дв возросли на некоторую небольшую величину и станут больше тормозного электромагнитного момента М_эм синхронного генератора и его мощности Р_эм, то ротор получит ускорение и угол q будет возрастать. Соответственно возрастут Р_эм и М_эм синхронного генератора пока не станут равными Р^*_дв и М^*_дв соответственно, а режим работы С.Г. перейдет из точки А в точку А^*. Угол q при этом возрастет до значения q + Δq. Кратковременные увеличения угловой скорости Ω ротора можно не учитывать, в новом установившемся режиме (в точке А^*) она будет исходному значению Ω = Ω₁.

Для нового значения электромагнитного тормозного момента можно записать

.

В полученном выражении второе слагаемое, равное , называют «полный синхронизирующей момент» С.Г. Величина - это приращение угла q при изменении нагрузки, а величину , равную

,

называют «удельный синхронизирующий момент» С.Г., при - 90° < q < +90°.

Синхронизирующий момент всегда направлен навстречу причине, выводящей С.Г. из равновесия, стремится вернуть С.Г. в положение устойчивого равновесия и при увеличении угла q является

тормозным, а при уменьшении - вращающим.

Это значит, что синхронизирующий момент направлен навстречу моменту инерции вращающихся масс ротора. Из формулы видно, что синхронизирущий момент является положительной величиной как для генератоного (в первом квадранте осей координат), так и для двигательного режима работы машины (во втором квадранте). Все это подтверждает, что условием сохранения статической устойчивости С.Г. в процессе саморегулирования является выполнение неравенств и .