Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 9 из 42)
Рассмотрим условия включения генератора на параллельную работу с сетью и способы регулирования нагрузки.
Включение генератора на параллельную работу с сетью. При этом необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя.
Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети uс и генератора и:
. (1.29)На практике осуществление (1.29) сводится к выполнению трех равенств:
величин напряжений сети и генератора Ucm = Umили Uс = U;
частот ωс = ωг или fс = fг;
их начальных фаз αс = αг (совпадение по фазе векторов Ùcи Ù).
Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.
Совокупность операций, требуемых для подключения генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот fс ≈ fг, а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений Uс = U. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (αс = αг) контролируется специальными приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами.
Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности и обычно используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампочки, включенные между фазами генератора и сети (рис. 1.31, а). На каждую лампу действует напряжение Δu = uс–и, которое при fc≠ fгизменяется с частотой Δf = fс–fг, называемой частотой биений (рис. 1.31, б). В этом случае лампы будут мигать. При fс ≈ fг разность Δи будет изменяться медленно, вследствие чего лампы будут постепенно загораться и погасать. Обычно генератор подключают к сети в момент, когда разность напряжений Δи на короткое время становится близкой нулю, т.е. в середине периода погасания ламп; в этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ùси Ù. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты вращения ротора, т.е. поддержание условия n2 = n1, происходит автоматически.
Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этом приборе при fc≠ fгстрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот fc– fгв одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При fc= fг она устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.
Часто также применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключается к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При самосинхронизации ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение s до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуктированием тока в успокоительной обмотке и замкнутой обмотке возбуждения. После этого в обмотку возбуждения подается постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой толчок тока, который не должен превышать 3,5Iа ном.
Рис. 1.31–Схема подключения синхронного генератора к сетис помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений исии перед включением (б) генератора
Регулирование активной мощности. После включения генератора в сеть его напряжение Uстановится равным напряжению сети Uc. По отношению к внешней нагрузке напряжения Uи Uс совпадают по фазе, а по контуру «генератор – сеть» находятся в противо-фазе, т.е. Ù = – Ùc(рис. 1.32, а). Так как перед включением в сеть генератор работал вхолостую, то при выполнении указанных ранее трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток Iапосле подключения к сети также будет равен нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток Iа при работе генератора параллельно с сетью на примере неявно-полюсной машины.
Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (1.19в):
. (1.30)Так как Ù = – Ùc = const, то величину тока İаможно изменять только двумя способами: изменяя э.д. с. Ė0по величине или по фазе.
Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор Ė0смещается относительно вектора Ù на некоторый угол θ в сторону вращения векторов (рис. 1.32, б). При этом возникает разность векторов Ė0 – Ù, приводящая согласно (1.30) к появлению тока İа. Вектор этого тока опережает на 90° вектор – jİаxсн и сдвинут относительно вектора Ù на некоторый угол φ, меньший 90°. При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность P = mUIacosφ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больший внешний момент приложен к валу генератора, тем больше будет угол θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.
Рис. 1.32
–Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машиныпри параллельной работе с сетью в режимах:а – холостого хода; б–генераторном; в-двигательном
Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор Ė0будет отставать от вектора напряжения Ù на угол θ (рис. 1.32, в). При этом возникает ток Iа, вектор которого опережает на 90° вектор – jİахсни сдвинут на некоторый угол φ относительно вектора напряжения Ù. Так как угол φ>90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением Ù машины. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р= тÙİасоsφ забирается из сети и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.
Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т.е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки – уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного режима в двигательный.
Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 1.33, а), увеличить ток возбуждения Iв, то возрастет э. д. с. Е0(рис. 1.33, б) и по обмотке якоря будет проходить ток Iа, величина которого согласно (1.30) определяется только индуктивным сопротивлением хснмашины. Следовательно, ток İaбудет реактивным: он отстает по фазе от напряжения Ù на угол 90е или опережает на тот же угол напряжение сети Ùс.
Рис. 1.33–Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машиныпри параллельной работе с сетью, отсутствии активной нагрузкии изменении э. д. с. Е0 путем регулирования тока возбуждения:
а – при E0 = Uс; б – при Е0> Uс; в-при E0 < Uc
При уменьшении тока возбуждения ток İаизменит свое направление: он будет опережать на 90° напряжение Ù (рис. 1.33, в) и отставать на 90° от напряжения Ùс. Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока İа, т.е. реактивная мощность машины Q= mUIasinφ. Активная составляющая тока İaв рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Рэл = 0, и машина работает в режиме холостого хода.
При работе машины под нагрузкой имеют место те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока Iа,т.е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины, при котором реактивная составляющая тока İaравна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения Iв больше тока Iв.п, при котором имеет место режим полного возбуждения, то ток Iасодержит отстающую от Uреактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения Iв меньше тока Iв.п, то ток Iасодержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.