Включение генератора параллельно сети на бегущий свет

Рис. 29. Рис. 30.

При таком включении ламп синхроноскопа лампы находятся под разным потенциалом, рис 30. Если турбина имеет малое число оборотов, то частота ЭДС СГ мала и относительная скорость сплошной и пунктирной звезд будет большой. Вращение загорания ламп будет быстрое. По мере увеличения скорости вращения частота будет расти СГ, а относительная скорость звезд будет уменьшаться, и вращение бегущего света будет замедляться. При скорости вращения близкой к синхронной относительная скорость звезд будет малой и бегущий огонь будет медленно переходить с одной лампы на другую (например, по часовой стрелке) и когда лампа А фазы А потухнет, в этот момент быстро необходимо включить рубильник. Р.

Если, не включая рубильник, и дальше разгонять ротор СГ, то пунктирная звезда будет вращаться быстрее сплошной и бегущий свет изменит свое направление (против часовой стрелки).

На промышленных установках обычно используются стрелочные синхроноскопы. Эта синхронизация называется точной. На электростанциях часто используют грубую синхронизацию, так называемую самосинхронизацию. Идея сводится к следующему: турбина разгоняет ротор СГ до скорости близкой к синхронной, после чего включают обмотку статора в сеть (получается как бы асинхронный режим), затем с небольшой выдержкой времени подают напряжение на обмотку возбуждения, которая создает магнитный поток. Так как при этом относительная скорость поля статора и поля обмотки возбуждения мала, то после ряда проскальзываний противоположные полюса статора и индуктора притянутся, и машина втянется в синхронизм. После чего синхронный генератор можно нагружать.

4.11. Электромагнитная мощность и момент синхронных машин

Электромагнитная мощность – это мощность, которая передается с индуктора на статорную обмотку. Так как потери в обмотке статора, как правило, невелики, то и невелики потери в стали статора. Поэтому практически считают, что электромагнитная мощность равна полезной отдаваемой мощности:

Рэм = Рr = mUIcosφ, r = 0 (1)

Для вывода формулы электромагнитной мощности воспользуемся преобразованной диаграммой для явнополюсной машины, рис. 30.

Рис. 30

Выразим угол φ через ψ и θ.

Из диаграммы видно, что

cosφ=cos(ψ-θ)=cosψcosθ+sinψsinθ

Подставим cosφ в уравнение (1) электромагнитной мощности

Pэм = mUIcosψcosθ+mUIsinψsinθ (2)

Найдем из векторной диаграммы величины Icosψ, Isinψ

OB=E₀–IdXd=E₀–IsinψXd, с другой стороны:

OB=Ucosθ, Ucosθ=E₀–IsinψXd, откуда

, далее

BC = IqXq = IcosψXq = Usinθ, откуда

Подставим произведение Isinψ и Icosψ в уравнение (2)

, сгруппируем

.

Воспользуемся формулой sin2θ=2cosθsinθ, откуда

cosθsinθ=1/2sin2θ, тогда окончательно получим выражение электромагнитной мощности синхронного генератора (явнополюсн.)

Pэм = mUE₀sinθ/Xd + mU²(1/Xq – 1/Xd)sin2θ,

т.е. электромагнитная мощность состоит из основной и добавочной. Если машина неявнополюсная, где Xd=Xq, выражение электромагнитной мощности запишется:

Pэм = mUE₀sinθ/Xd

Получим выражение электромагнитного момента для явнополюсной машины. Так как Pэм = Mω, откуда M = Pэм/ω,

, т.е. момент состоит из основной части и добавочного (реактивного) момента. Если генератор неявнополюсной, то выражение электромагнитного момента запишется:

M = mUE₀sinθ/ωXd

Зависимости Pэм=f(θ) и M = f(θ) называются угловыми характеристиками синхронной машины. Покажем на рис. 31 угловые харθактеристики для явнополюсного генератора, а на рис. 32 угловые характеристики для неявнополюсной машины.

Рис. 31 Рис. 32

Из рис. 31 видно, что θкр<90⁰. Устойчиво машина работает в диапазоне угла θ = 0-θкр, а для неявнополюсной машины устойчивая работа соответствует углу θ = (0-90)⁰.

4.9 Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью

Изменение активной и реактивной мощности синхронного генератора, работающего параллельно с сетью большой мощности, осуществляется путем изменения внешнего момента и тока возбуждения. Чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируют и ток возбуждения, и вращающий момент. Рассмотрим два предельных случая регулирования.

Возбуждение генератора остается постоянным, а момент изменяется. (iB=const, M=var).

Если нагрузка генератора увеличивается, то с увеличением нагрузки увеличивается момент и мощность. При всех постоянных величинах (U, E₀, Xd, Xq) момент и мощность будут изменяться за счет изменения угла θ. Угол θ – это угол между осью индуктора и осью результирующего потока Фδ. При холостом ходе генератора существует поток Ф₀ – созданный обмоткой возбуждения. При нагрузке в обмотке якоря создается поток якоря Фа. Этот поток накладывается на поток Ф₀ и создает результирующий поток Фб. Пространственный угол θ и момент можно представить на рис. 33.

Рис. 33.

Как видим из рис. 33 электромагнитный момент генератора является тормозным, т.е. он стремится притянуть разноименные полюса, а момент со стороны турбины Мт вращает ротор. Чем больше ток статора, тем больше и поток Фа и результирующий поток дальше сдвигается от оси индуктора, т.е. увеличивается угол θ. Поговорим о статической устойчивости синхронного генератора применительно к неявнополюсной машине. Синхронная машина (генератор) устойчиво с сетью работает в диапазоне угла θ = 0-90⁰, а дальше машина выпадает из синхронизма, рис. 34. В т. А устойчивый режим работы.

Рис. 34.

Если отдаваемая мощность, а следовательно и электромагнитый момент возрастут (согласно рис. 33), то угол θ уменьшится и машина вернется в т. А. Если же отдаваемая мощность и момент уменьшатся, то согласно с рис. 33 угол θ возрастет т.к. Мт>М и машина вернется в исходную точку. Отсюда видно, что угол θ может меняться от 0 до 90⁰ при устойчивой работе с сетью.

Если же угол θ будет больше 90⁰, то магнитная связь между полюсами нарушается и машина выпадает из синхронизма. Это тяжелый и аварийный режим. При этом мощность в сеть не отдается, а момент турбины имеется, то под действием этого момента ротор может разогнаться до недопустимой скорости вращения. Кроме того, магнитный поток возбуждения будет наводить в обмотке статора ЭДС, Которая будет то складываться, то вычитаться с приложенным напряжением. Это приведет к большим колебаниям тока. Обычно если генератор выпал из синхронизма, то его отключают от сети. Для устойчивой работы генератора с сетью номинальный угол составляет θн=15-20⁰. Как уже было сказано, что если угол θ>90⁰, то машина работает неустойчиво с сетью. Допустим, работаем в т. В. Если отдаваемая мощность будет меньше мощности турбины, то (рис 34) угол θ будет увеличиваться, а с увеличением угла θ отдаваемая мощность будет падать, т.е. при этом машина никогда не вернется в т. В., поэтому угловая характеристика от θ= 90⁰-180⁰ неустойчива. Перегрузочная способность генератора:

Синхронизирующая мощность.

Чтобы генератор мог работать не выпадая из синхронизма с сетью, он должен обладать достаточной синхронизирующей мощностью, т.е. способностью продолжать работать синхронно с сетью даже при значительных изменениях момента и, следовательно, угла θ.

Большое значение для работы синхронных машин имеет вопрос устойчивости их работы. Работа синхронной машины будет устойчивой, если положительному приращению θ соответствует положительное приращение электромагнитной мощности Рэм, и наоборот уменьшению угла θ будет соответствовать уменьшение электромагнитной мощности Рэм. В этом случае ΔРэм/Δθ можно рассматривать и при бесконечно малых изменениях, а тем самым перейти к первой производной dРэм/dθ, тогда

Рс=dРэм/dθ=mUE₀cosθ/Xc, где Рс – удельная синхронизирующая мощность. Синхронизирующая мощность равна удельной синхронизирующей мощности, умноженной на все смещение Δθ.

Рсх = РсΔQ

Из выражений Рсх и Рэм следует, что когда угол θ=0, генератор развивает наибольшую синхронизирующую мощность, но его электромагнитная мощность Рэм=0. Наоборот, когда угол θ=90⁰, генератор развивает наибольшую электромагнитную мощность, а его синхронизирующая мощность Рсх=0, рис. 34.

4.10 Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью

Момент генератора остается постоянным, а ток возбуждения изменяется.

M = const, iB = var.

Для анализа воспользуемся векторной диаграммой ЭДС для неявнополюсной машины, рис. 35.

Рис 35.

Если момент М=const, то и P=const, M=mE₀Usinθ/ωXc=const, если изменяется ток возбуждения, то изменяется и ЭДС. Для постоянства момента необходимо, чтобы E₀sinθ= const. Мощность P=mUIcosφ. Постоянство мощности получится при Icosφ=Iа=const. При анализе режима учтем эти условия. Развернем диаграмму рис. 36 так, чтобы вектор напряжения генератора Uг был направлен горизонтально и уравновешен напряжением сети Uс.

Рис. 36.

Из условий видим, что вектор ЭДС Е₀ должен скользить по прямой θR параллельно вектору напряжения, т.к. ab=E₀sinθ=const. При изменении возбуждения конец вектора тока статора (якоря) будет скользить по прямой MN, т.к. Ia=Icosφ=const. При перевозбуждении ЭДС будет соответствовать величине Е₀ и току I. Если разложить ток I, то его реактивная составляющая будет опережать вектор напряжения сети Uс на 90⁰, т.е. этот ток будет емкостным. С энергетической стороны, этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. При уменьшении тока возбуждения ЭДС Е₀ уменьшится до величины Е₀¹ и ток в статоре будет иметь наименьшую величину I¹ = Ia и cosφ=1. При этом генератор не отдает и не потребляет реактивной мощности.

При перевозбужденном режиме ток I отстает от вектора напряжения генератора Uг на угол φ. Если и дальше уменьшать ток возбуждения ЭДС уменьшится до величины Е₀¹¹, а ток I¹¹ будет опережать напряжение генератора на угол φ¹. Реактивная составляющая тока статора по отношению к вектору напряжения сети Uс будет отставать на 90⁰, т.е. он будет чисто индуктивным и генератор будет потреблять из сети реактивную мощность. Этот режим называется – режим недовозбуждения. Таким образом, регулируя ток возбуждения генератора можно менять величину и фазу тока статора, т.е. изменять cosφ. Зависимости тока статора I от тока возбуждения iB называются U-образными характеристиками. На рис. 37 представлены графически U-образные характеристики при различной постоянной мощности.

Рис. 37.

Характеристики до пунктирной линии соответствуют недовозбужденному режиму, а после этой линии соответствуют перевозбужденному режиму, при котором генератор отдает реактивную мощность в сеть.

Методы регулирования реактивной и активной мощности генератора.

Как только что видели, что если изменять возбуждение генератора, то тем самым будем изменять реактивную мощность, отдавать, либо потреблять её.

Регулировать активную мощность можно, только изменяя механическую мощность, со стороны паровой турбины, либо гидротурбины. При увеличении отдаваемой активной мощности, необходимо увеличить и механическую мощность со стороны турбины.

4.11.1 Векторные диаграммы синхронного двигателя

При работе синхронной машины в режиме генератора напряжение на его зажимах равно разности между ЭДС Е₀ и падениями напряжений на различных индуктивных сопротивлениях, а при работе в режиме двигателя напряжение Uс равно сумме ЭДС и падений напряжения на индуктивных сопротивлениях. Покажем векторную диаграмму для явнополюсного синхронного двигателя в перевозбужденном режиме при известных параметрах r, Xd, Xq.

Рис. 38 Рис. 39.

При перевозбужденном режиме (рис 38) ток опережает напряжение на угол φ. Ток якоря I разложим по осям d,q относительно вектора Е₀. Токи Id, Iq создают потоки, а они создают ЭДС Ea = -Ir, сумма ЭДС дает нам вектор напряжения Uc. Угол θ – угол между вектором напряжения сети Uc и составляющей напряжения, которая уравновешивает ЭДС Е₀.

На рис. 39 представлена упрощенная диаграмма синхронного двигателя для неявнополюсной машины.

В синхронном неявнополюсном двигателе ток по осям не разлагается. Синхронное индуктивное сопротивление Xc=Xd=Xs+Xad. Ток статора создает поток рассеяния и поток якоря. Оба этих потока создают ЭДС – jIXc отстающей от вектора тока на 90⁰. Напряжение сети Uс уравновешивается суммой ЭДС Е=-Uc. Если из этой суммы вычесть ЭДС – jIXc, то получим вектор ЭДС Е₀. ЭДС Е₀ и –jIXc уравновешиваются составляющими напряжения –Е₀ и jIXc. Угол θ есть угол сдвига между вектором напряжения сети Uc и составляющей напряжения –Е₀.

4.11.2 Угловые характеристики синхронного двигателя

Синхронная машина обратима, т.е. можно работу синхронного генератора перевести в режим двигателя. При этом угол θ (если для генератора его считать положительным) изменит свой знак.

Выражение электромагнитной мощности и момента для синхронного двигателя аналогичны генератору. На рис. 40 представлены угловые характеристики для неявнополюсной машины режима генератора и двигателя.

Рис. 40.

Как было указано выше, если машина работает в режиме генератора, то под действием момента турбины Мт угол θ (угол между осью индуктора и осью результирующего потока Фδ) возрастает. Электромагнитный момент – тормозной. Ось индуктора опережает ось потока Фδ, и угол θ считается положительным. Если разгрузить генератор до θ=0, то напряжение генератора уравновешено ЭДС генератора и ток статора I=0. Если теперь нагрузить машину внешней нагрузкой, то машина перейдет в двигательный режим. При этом, электромагнитный момент будет движущим, а момент тормозной Мв – момент на валу. Как видим из рис. 40 при двигательном режиме результирующий поток Фδ будет тянуть за собой индуктор. Угол θ будет отрицательным. Двигатель будет работать устойчиво в диапазоне угла θ=0-90⁰.

Уравнения электромагнитной мощности и момента неявнополюсного синхронного двигателя запишутся:

Работа синхронного двигателя в режиме угловых характеристик соответствует режиму: iB=const, M=var.

4.12 Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения

M=const, iB=var. Для анализа этого режима синхронного двигателя воспользуемся упрощенной диаграммой для неявнополюсной машины (рис. 39). Используя только верхнюю ее часть и вектор напряжения сети Uc, расположим горизонтально.

Рис. 41.

Режим работы соответствует постоянству момента.

при

постоянство момента получается при E₀sinθ=const, а следовательно -E₀sinθ=const, поэтому, при изменении возбуждения, конец вектора –Е₀ будет передвигаться по прямой θq параллельно вектору Uc, т.к.

ab=E₀¹sinθ=const. Мощность также постоянная:

P=mUcIcosφ=const при mUc=const, P=const при Icosφ=Ia=const, т.е. активная составляющая тока будет постоянной и конец вектора тока I, при изменении тока возбуждения, будет перемещаться по прямой MN.

При недовозбужденном синхронном двигателе составляющей напряжения -Е₀ соответствует ток I, который отстает от напряжения Uc на угол φ. Вектор тока I перпендикулярен продолжению вектора jIXc. Реактивная составляющая тока I_L будет отставать на 90⁰ от вектора напряжения Uc, т.е. этот ток чисто индуктивный. Значит, при недовозбуждении двигатель будет потреблять из сети индуктивный ток, а следовательно будет потреблять из сети и реактивную мощность.

При увеличении возбуждения величина –Е₀¹ увеличится, а ток I уменьшится до Ia=I¹ и будет минимальным. При этом режиме СД будет работать с cosφ=1 и реактивная мощность, не будет ни потребляться, ни отдаваться в сеть. При дальнейшем увеличении тока возбуждения составляющая напряжения будет равна –Е₀¹¹, а ток I¹¹, будет опережать вектор напряжения сети на угол φ¹. Этот режим соответствует перевозбужденному режиму. Реактивная составляющая тока будет емкостной (опережает вектор Uc на 90⁰). Этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. Этот режим аналогичен включению статических емкостей в сеть.

Итак видим, что если изменять ток возбуждения iB, то величина тока статора I будет изменяться по величине и по фазе, т.е. можно регулировать cosφ. Это ценное свойство и определяет использование синхронных двигателей. Выпускаются СД обычно с опережающим cosφ=0.8. Зависимости тока статора I от тока возбуждения iB, I=f(iB) называются U-образные характеристики, рис. 42.

Рис. 42.

Р₂ > Р₁. Характеристики снимаются при P=const. Режим работы соответствующий току возбуждения от 0 до пунктирной линии недовозбужденный, а за пунктирной линией – перевозбужденный с отдачей реактивной энергии в сеть. Минимум тока статора соответствует cosφ=1. Посмотрим на примере, как улучшается cosφ установки при использовании перевозбужденного синхронного двигателя, рис. 43.

Рис. 43.

Предприятие без СД имеет в векторной форме Uc,I и угол φ, где ток I_L – индуктивный ток, потребляемый из сети. Если теперь использовать СД в перевозбужденном режиме, получим емкостной ток Ic, который скомпенсирует частично ток I_L. Результирующий реактивный ток уменьшится, а это приведет к уменьшению тока до I¹, угол φ¹ уменьшится, т.е. возрастет cosφ. Из этого примера видим, что используя на предприятиях СД в перевозбужденном режиме, улучшается cosφ установки и уменьшаются потери в сети.

ток , cosφ = Ia/I

Для улучшения энергетических показателей в энергосистемах большой мощности используются синхронные компенсаторы. Эти машины устанавливаются в конце высоковольтных линий и служат генераторами реактивной мощности. Поэтому синхронные компенсаторы работают в перевозбужденном режиме без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода. Конструктивно, они не имеют наружного выхода вала. Воздушный зазор делается меньше, чем у генераторов, это приводит к уменьшению числа витков обмотки возбуждения. Мощность СК составляет 100-300 МВА. Идея работы СК с сетью показана на рис. 44.

Рис. 44.

Синхронный генератор вырабатывает активную и реактивную мощность, которая передается через трансформаторы и линию электропередачи предприятиям. Если установить в узле нагрузки А синхронный компенсатор в режиме перевозбуждения, то он на месте будет вырабатывать значительную часть реактивной мощности и отдавать ее потребителям предприятий разгрузив синхронный генератор и линию электропередач в значительной части от реактивной мощности. Это приведет к уменьшению общего тока ЛЭП, уменьшатся потери в СГ, тр-рах и ЛЭП.

4.13 Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т.е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, т.к. его ротор обладающий определенной инерцией, не может быть в течении одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В виду отсутствия пускового момента в синхронном двигателе для пуска его используют следующие способы:

Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Асинхронный пуск двигателя.

Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного двигателя может быть произведен только без механической нагрузки на его валу, т.е. практически вхолостую. В этом случае на период пуска двигатель временно превращается в синхронный генератор, ротор которого приводится во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть вспомогательный приводной двигатель механически отключается. Этот способ пуска сложен и имеет к тому же вспомогательный двигатель.

Асинхронный пуск двигателя.

Наиболее распространенным способом пуска синхронных двигателей является асинхронный пуск, при котором синхронный двигатель на время пуска превращается в асинхронный. Для возможности образования асинхронного пускового момента в пазах полюсных наконечников явнополюсного двигателя помещается пусковая короткозамкнутая обмотка. Эта обмотка состоит из латунных стержней, вставленных в пазы наконечников и соединяемых накоротко с обоих торцов медными кольцами.

При пуске в ход двигателя обмотка статора включается в сеть переменного тока. Обмотка возбуждения (3) на период пуска замыкается на некоторое сопротивление Rг, рис. 45, ключ К находится в положении 2, сопротивление Rг = (8-10)Rв. В начальный момент пуска при S=1, из-за большого числа витков обмотки возбуждения, вращающее магнитное поле статора наведет в обмотке возбуждения ЭДС Ев, которая может достигнуть весьма большого значения и если при пуске не включить обмотку возбуждения на сопротивление Rг произойдет пробой изоляции.

Рис. 45 Рис. 46.

Процесс пуска синхронного двигателя осуществляется в два этапа. При включении обмотки статора (1) в сеть в двигателе образуется вращающее поле, которое наведет в короткозамкнутой обмотке ротора (2) ЭДС. Под действием, которой будет протекать в стержнях ток. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в коротко замкнутой обмотке создается вращающий момент, как у асинхронного двигателя. За счет этого момента ротор разгоняется до скольжения близкого к нулю (S=0,05), рис. 46. На этом заканчивается первый этап.

Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения (3) постоянного тока (переключив ключ К в положение 1). Так как ротор разогнан до скорости близкой к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм. После чего ротор будет вращаться с синхронной скоростью, и частота вращения его будет постоянной, рис. 46. На этом заканчивается второй этап пуска.

4.14 Диаграммы намагничивающих сил

В диаграммах намагничивающих сил учитывают насыщение машины. В отличии от диаграмм ЭДС в диаграммах н.с. складываются н.с. и по суммарной намагничивающей силе определяется ЭДС Е₀. Диаграммы построим для неявнополюсных машин. На рис. 23 если прибавить к напряжению U векторы Ir₁ и IXs получим вектор результирующей ЭДС Еδ. По рис. 24 определим с учетом насыщения величину н.с. Fδ. На векторной диаграмме Fδ опережает Еδ на 90⁰.Намагничивающая сила реакции якоря

используя этот вектор получим величину н.с. F₀ и по рис. 24 определим величину ЭДС Е₀, которая на векторной диаграмме отстает от F₀ на 90⁰. Таким образом, получим величину и направление вектора ЭДС Е₀.

Рис. 23 Рис. 24

Практическая диаграмма намагничивающих сил синхронной машины.

Эта диаграмма строится по принципу предыдущей диаграммы, рис. 25.

Рис. 25

Диаграмма не требует дополнительных пояснений. Если изменять величину и фазу тока якоря, то по диаграмме можно определить F₀, U, и угол θ синхронной машины.