Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 19 из 42)
1.19 Несимметричные режимы работы синхронных генераторов
Работа генератора при несимметричной нагрузке. Наличие однофазных нагрузок (осветительной сети, тяговых трансформаторов электрифицированных железных дорог и т.п.) вызывает несимметрию фазных токов синхронных генераторов. Анализ несимметричных режимов, как и для трехфазных трансформаторов, производится методом симметричных составляющих, при котором трехфазная несимметричная система токов IА, IBи ICразлагается на системы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.
Система токов прямой последовательностиİA1, İB1, İC1создает в трехфазной синхронной машине м.д.с. якоря, вращающуюся синхронно с ротором, т.е. неподвижную относительно обмоток ротора. Этот режим подробно рассмотрен в предшествующих параграфах настоящей главы. Индуктивное сопротивление фазы для токов прямой последовательности хпр=хсн.
Система токов обратной последовательностиİА2, İВ2, İC2 создает м.д.с. якоря, вращающуюся в сторону, противоположную вращению ротора, так как имеет место чередование максимумов тока в фазах, обратное по отношению к токам прямой последовательности. Следовательно, магнитное поле токов обратной последовательности пересекает обмотки ротора с двойной частотой и индуктирует в обмотке возбуждения и демпферной обмотке э. д. с, имеющую в два раза большую частоту, чем э. д. с. обмотки якоря. Наличие э.д. с. и токов двойной частоты в обмотках ротора заставляет при расчете токов обратной последовательности пользоваться сверхпереходными (или переходными) индуктивными сопротивлениями. Другими словами, для потоков обратной последовательности короткозамкнутая демпферная клетка играет ту же роль, что и короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной машины по отношению к вращающемуся потоку.
Поток обратной последовательности равномерно пересекает то продольную, то поперечную ось ротора. Вследствие этого среднее значение индуктивного сопротивления машины для токов обратной последовательности можно принять равным
. (1.60)Если демпферная обмотка расположена по всей окружности якоря, то можно считать, что
. (1.61)Сопротивления для токов обратной последовательности можно получить экспериментально, если включить синхронную машину в сеть и вращать ротор с синхронной частотой против направления вращения поля.
Токи двойной частоты, возникающие в демпферных обмотках и массивном роторе, вызывают дополнительные потери, из-за которых может возникнуть опасный нагрев ротора и снижение к. п. д. машины. Увеличение сечения стержней демпферной обмотки с целью снижения активного сопротивления и потерь не всегда дает положительный эффект, так как при двойной частоте сильно сказывается эффект вытеснения тока. Взаимодействие м. д. с. возбуждения ротора и потока обратной последовательности статора создает знакопеременный колебательный момент, вызывающий вибрацию машины и шум.
Система токов нулевой последовательностиIА0, IB0, IC0 создает во всех трех фазах м. д. с, совпадающие по времени, так как
İA0= İВ0 = İC0 (1.62)
На рис. 1.61 показаны магнитные поля, образуемые этими токами в каждой из фаз якоря для простейшего случая сосредоточенной обмотки. Легко заметить, что для основной гармоники магнитный поток в воздушном зазоре от токов нулевой последовательности равен нулю. Вследствие этого токи нулевой последовательности могут создавать только потоки рассеяния Фσ0 и пульсирующие потоки гармоник, кратных трем.
Рис. 1.61 – Потоки рассеяния, образуемые токами нулевой последовательности в обмотках якоря
При диаметральной обмотке якоря потоки рассеяния токов нулевой последовательности замыкаются так же, как потоки рассеяния для токов прямой последовательности, а поэтому приблизительно равны и соответствующие индуктивные сопротивления х0= xsa. При укорочении шага обмотки индуктивное сопротивление уменьшается и достигает минимума при шаге обмотки, равном 2/3 полюсного деления, так как в этом случае во всех пазах проводники нижнего и верхнего слоев принадлежат разным фазам.
Следовательно, при y= (2/3)τ полный ток нулевой последовательности каждого из пазов будет равен нулю, а индуктивное сопротивление будет определяться потоком лобовых частей. При рекомендуемом для синхронных машин шаге y = 0,8τиндуктивное сопротивление х0уменьшается почти в три раза по сравнению с его значением при диаметральной обмотке. Таким образом, обычно 0,3xsa < х0 < xsa.
Экспериментально величину х0можно определить, если включить все фазы обмотки якоря последовательно и присоединить их к источнику однофазного переменного тока. Обмотку возбуждения при этом нужно замкнуть накоротко, а ротор привести во вращение с номинальной частотой. В этом опыте U = 3I0x0, откуда x0= U/(3I0).Наличие короткозамкнутой обмотки возбуждения на роторе уменьшает дифференциальный поток рассеяния, а вращение ротора выравнивает фазные сопротивления, которые при неподвижном роторе оказались бы различными из-за различия в положении проводников отдельных фаз относительно оси обмотки возбуждения. Если на роторе имеется мощная демпферная обмотка, то обмотка возбуждения оказывает незначительное влияние на величину х0, т.е. ее можно не замыкать накоротко л не приводить во вращение.
Несимметричные установившиеся короткие замыкания. Простейшим примером несимметричной нагрузки является однофазное короткое замыкание. Этот режим помимо методического имеет и большое практическое значение, так как его результаты можно использовать при определении токов аварийного короткого замыкания.
При однофазном коротком замыкании (рис. 1.62, а)
; 
и 
.Из условия (2–108) получим для этого режима
. (1.63)Следовательно, в данном случае во всех трех фазах возникают токи прямой, обратной и нулевой последовательностей, хотя и имеют место условия İВ1 + İВ2 + İВ0 = İВ= 0 и İС1 + İС2 + İСо =İС = 0.
Вращающийся магнитный поток возбуждения индуктирует во всех фазах э.д.с. только прямой последовательности Ė1 = Ė0. Пренебрегая активными сопротивлениями, для фазы А– Xможно написать
(1.64)или с учетом (1.63)
EA = jiA(xnp + x2 + x0)/3,(1.65)
откуда установившийся ток однофазного короткого замыкания
. (1.66)
Рис. 1.62 – Схема однофазного короткого замыкания (а) и векторная диаграмма токов и напряжений при этом режиме (б)
Сравнивая (1.66) с величиной установившегося тока трехфазного короткого замыкания Iкз = Е0/хсн, получаем, что Iк1 > Iкз, так как xпр = xсн; х2< хсни х0< хсн. Величину напряжений для фаз В–Yи С–Zопределим из уравнений:
UB = EB–jIBlxnv–jiBix2–jIB0x0; (1.67)
Uc = Ec–jiclxnv–jiC2x2–jiC0x0. (1.68)
На рис. 1.62, б показана векторная диаграмма, построенная по (1.64), (1.67) и (1.68) для всех трех фаз. Построение начинается с вектора ĖАи отстающего от него по фазе на 90° вектора İА. Векторы İA1, İA2и İА0совпадают с вектором İAпо фазе и составляют ⅓ от него по величине. Остальные векторы симметричных составляющих соответственно ориентируются по току в фазе А – X. Дальнейшие построения производятся обычным порядком с учетом того, что векторы фазных э. д. с. сдвинуты относительно друг друга на 120°.
Двухфазное короткое замыкание, например, фаз А – Xи В–Y(рис. 1.63, а) характеризуется следующими соотношениями: İС = 0; ÙAB = 0; ÙA=ÙBв силу симметрии схемы и İА = – İВ, так как при положительном направлении тока в фазе А – X(например, от конца фазы к началу), в фазе В–Yток будет иметь отрицательное направление. Токи нулевой последовательности в данном режиме равны нулю, так как
. (1.69) 
Рис. 1.63 – Схема двухфазного короткого замыкания (а) и векторные диаграммы токов и напряжений при этом режиме (б, в)