Колебания синхронных генераторов

Рис. 21.6. Угловые характеристики моментов (к примеру 21.1)

ЦО

Предположим, что синхронный генератор, подключенный на параллельную работу к сети, работает ненагруженным. Чтобы нагрузить генератор, увеличивают вращающий момент первич­ного двигателя М\ до значения М\, соответствующего повороту оси полюсов ротора на угол 01 и электромагнит­ному моменту М — (рис. 21.7, график /). Однако под действием инерции вращающихся масс синхронной машины и приводного двигателя ротор повернется на угол 02>0ь при котором элект­ромагнитный момент гене­ратора достигает значения М'>М(. В результате на­рушившегося равновесия моментов ротор начнет по­ворачиваться в направле­нии уменьшения угла 0, но силы инерции и в этом случае помешают ротору остановиться в положении, соответствующем углу 0i, и переведут его в положение, соответствующее значению угла 03, при котором электромагнитный момент генератора М" окажется меньше вра­щающего момента М[. Поэтому ротор не остановится в положении 0з, а будет поворачиваться в направлении увеличения угла 0.

Таким образом, ротор синхронного генератора будет совер­шать колебательные движения (качания) около среднего поло­жения 01 (рис. 21.7, график 2), соответствующего равновесию вращающего и электромагнитного моментов. Если бы колебания

Рис. 21.7. Колебания синхронной ма­шины:

/ — угловая характеристика; 2 — график затухающих колебаний ротора

колебания ротора, могут быть момента первичного двигателя генератора, т. е. электромагнитного момента М. Колебания ротора, вызванные указанными причинами, называют собственными.

Возможны также вынужденные колебания, вызванные нерав­номерным вращением ротора, например в генераторах с приво­дом от поршневых двигателей (дизели, газовые двигатели). Наи­более опасен случай совпадения частоты собственных колебаний с частотой вынужденных (резонанс колебаний). При этом коле-

ротора не сопровождались поте­рями энергии, то они продол­жались бы неопределенно Дол­го, т. е. были бы незатуха­ющими. Однако в реальных условиях колебания ротора вы­зывают потери энергии, из кото­рых наибольшее значение име­ют магнитные потери, обуслов­ленные возникновением вихре­вых токов в сердечнике ротора. Объясняется это тем, что при отсутствии колебаний частота вращения ротора постоянна и равна частоте вращения резуль­тирующего магнитного поля. Однако при возникновении ко­лебаний ротора частота враще­ния последнего становится не­равномерной, т. е. происходит его движение относительно маг­нитного поля статора, что ведет к возникновению в сердечнике ротора вихревых токов. Взаимо­действие этих токов с магнит­ным полем статора оказывает на ротор «успокаивающее» дей­ствие, уменьшающее его коле­бания. Следовательно, колеба­ния ротора имеют затухаю­щий характер, и поэтому спус­тя некоторое время ротор зай­мет положение, соответствую­щее углу 0i, при котором уста­навливается равновесие момен­тов. Причинами, вызывающими либо изменения вращающего М\, либо изменения нагрузкибания резко усиливаются, так что параллельная работа гене­раторов становится невозможной.

Потери энергии в металлических частях ротора оказывают тормозящее действие на подвижную часть машины и уменьшают ее колебания. Однако значительного уменьшения колебаний дос­тигают применением в синхронной машине успокоительной (демп­ферной) обмотки. В явнополюс­ных машинах успокоительную об­мотку выполняют в виде стерж­ней, заложенных в пазы полюс­ных наконечников и соединенных на торцовых сторонах пластина­ми (рис. 21.8). В неявнополюсных машинах колебания устраняются ЛИШЬ действием вихревых токов, Рис' 21-в- Успокоительная (демп-

г ферная) обмотка

наводимых в сердечнике ротора.

В заключение отметим, что изложенное здесь о колебаниях синхронных генераторов в равной мере относится и к синхрон­ным двигателям (см. § 22.1).

§ 21.5. Синхронизирующая способность синхронных машин

Из рассмотренного в предыдущих параграфах следует, что при параллельной работе нескольких синхронных генераторов в каждом из них возникает некоторая сила, удерживающая гене­ратор в состоянии устойчивой работы, т. е. предотвращающая выход этого генератора из синхронизма.

Другими словами, синхронный генератор, включенный на параллельную работу, обладает синхронизирующей способностью. Физический смысл синхронизирующей способности синхронных генераторов состоит в следующем. В процессе работы синхрон­ного генератора в нем действуют два вращающихся магнитных поля: поле статора и поле ротора. Оба поля вращаются синхрон­но и создают в машине результирующее вращающееся магнит­ное поле. Так как обмотки статоров всех генераторов, включен­ных на параллельную работу, электрически связаны между со­бой, то также «связанными» оказываются и результирующие магнитные поля всех генераторов, которые вращаются с синхрон­ной частотой вращения п\.

Результирующее магнитное поле машины замыкается через сердечник ротора. Поэтому электрическая связь между обмотка­ми статоров параллельно работающих машин в конечном итоге переходит в магнитную связь роторов этих машин, аналогичную эластичной механической связи, которая позволяет роторам сме­щаться относительно друг друга в пределах угла 6<9кр. Приэтом роторы продолжают вращаться с синхронной частотой вра­щения. Лишь при смещении ротора какой-либо из параллельно работающих машин на угол Э, выходящий за указанные пределы, связь ротора этой машины с роторами других машин наруша­ется и машина выходит из синхронизма.

Для количественной оценки синхронизирующей способности

Рис. 21.9. Синхронизирующая способ­ность синхронной машины

синхронной машины вводят понятия удельной синхронизи­рующей мощности рс и удель­ного синхронизирующего мо­мента тс. Удельная синхрони­зирующая мощность определя­ется отношением приращения мощности АРЭМ к соответствую­щему приращению угла А0 (рис. 21.9):

рс = ДРзМ/Ае. (21.18)

Удельный синхронизирующий момент

тс = ЛМ/А9. (21.19)

Величины рс и rrk тем больше, чем круче подъем угловой характеристики на участке, соответствующем изменению угла Д0. В неустойчивой области угловой характеристики значения рс и /72с отрицательны, поэтому устойчивая работа синхронной маши­ны соответствует положительным значениям рс и тс.

При изменениях нагрузки нарушается равенство между мощ­ностью приводного двигателя и мощностью генератора. Возни­кающий при этом небаланс мощностей ДРЭМ представляет собой синхронизирующую мощноть ДРэм=уОсЛ0.

Синхронизирующей мощности соответствует синхронизирующий момент

ДМ = ДРэм/со, = тсДе. (21.20)

Этот момент обусловлен разностью электромагнитного момен­та генератора и вращающего момента приводного двигателя и оказывает на ротор генератора действие, предотвращающее вы­ход машины из синхронизма.

Из графиков удельных синхронизирующих момента тс = /(0) и мощности рс =}({)) видно, что наибольшей синхронизирующей способностью синхронная машина обладает при 0 = 0. С ростом 0 синхронизирующая способность машины снижается и при 0=0кр совершенно исчезает (рс =0; т. — 0). Синхронизирующей способностью обладают не только синхронные генераторы, но и синхронные двигатели.