Статическая устойчивость синхронного генератора

Статическая устойчивость синхронной машины, работающей параллельно с сетью, - это способность сохранять синхронное вращение (n₂=n₁) при изменении внешнего вращающего или тормозного момента М_вн, приложенного к ее валу. Статическая устойчивость обеспечивается только при углах q < q_кр, соответствующих электромагнитному моменту М < М_max.

Допустим, что синхронный генератор работает при некотором внешнем моменте М_вн, передаваемом его ротору от первичного двигателя. При этом ось полюсов ротора сдвинута на некоторый угол q относительно оси суммарного потока Ф и машина развивает электромагнитный момент М, который можно считать равным тормозному моменту (точки А и С на рисунке).

Если момент М_вн возрастает, то ротор генератора ускоряется, что приводит к увеличению угла q до значения (q + Δq). При работе машины в точке А возрастание угла q вызывает увеличение электромагнитного момента до значения (М + Δ М) (точка В). В результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, восстанавливается и машина после некоторого колебательного процесса продолжает работать с синхронной частотой вращения.

Аналогичный процесс происходит и при уменьшении М_вн. При этом уменьшаются угол q и электромагнитный момент М. Следовательно, равновесие моментов также восстанавливается.

Однако если машина работает при q_кр < q < 180⁰ (точка С), то увеличение угла q при возрастании М_вн вызывает уменьшение электромагнитного момента до значения (М - ΔМ) (точка D). Равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается. Ротор продолжает ускоряться, а угол q - возрастать, что может привести к двум результатам:

1) машина переходит в точку устойчивой работы (аналогичную точке А) на последующих положительных полуволнах угловой характеристики;

2) ротор по инерции проскакивает устойчивые положения, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Выпадение, из синхронизма является аварийным режимом. При этом ток якоря возрастает, так как ЭДС генератора Е и напряжение сети U_c в этом режиме могут складываться по контуру «генератор - сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе.

Если внешний момент при работе машины в точке С снижается, то угол q уменьшается, электромагнитный момент возрастает, что приводит к дальнейшему уменьшению угла q и переходу к работе в устойчивой точке А.

Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле q, то малое отклонение Δq от этого угла сопровождается возникновением момента ΔМ = (dM/dq) Δq

который стремится восстановить исходный угол q. Этот момент называют синхронизирующим. Ему соответствует понятие синхронизирующей мощности ΔР_ЭМ = (dР_ЭМ/dq) Δq.

Производные dM/dq и dР_ЭМ/dq называют соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью.

Удельный синхронизирующий момент имеет максимальное значение при q = 0. С возрастанием q он уменьшается, а при q = q_кр он равняется нулю, поэтому синхронные машины обычно работают с q = 20-30°, что соответствует приблизительно двукратному запасу по моменту.

Перегрузочная способность синхронной машины оценивается отношением:

К_П = M_max/M_H = Р_max/Р_Н.

Согласно ГОСТу это отношение для мощных генераторов должно быть не менее 1,6—1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности — не менее 1,65.

Для неявнополюсной машины удельный синхронизирующий момент и мощность:

dM/dq = M_max cosq; dР_ЭМ/dq = Р_{ЭМ max} cosq.

Удельная синхронизирующая мощность и момент обратно пропорциональны индуктивному сопротивлению Х₁ или Х_d. Для устойчивой работы индуктивное сопротивление машины должно быть возможно наименьшим, для чего необходимо увеличить воздушный зазор. При этом требуется увеличение МДС возбуждения, что ведет к удорожанию машины.

Поэтому в современных синхронных машинах для повышения устойчивости применяют автоматическое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки. При увеличении тока возбуждения возрастает ЭДС Е_f и момент M_max. При этом увеличивается устойчивость машины.

При работе на электрическую сеть синхронные генераторы должны работать с перевозбуждением, обеспечивающим повышение перегрузочной способности. При номинальном режиме ток I ₁ должен отставать от напряжения U ₁ и иметь cosφ₁= 0,8.

Генераторы большой мощности снабжают регуляторами возбуждения сильного действия, которые реагируют не только на отклонение напряжения U ₁, но и на производные во времени dU₁/dt и d I₁/dt, последняя из которых определяется изменениями угла dq/dt.

В машинах малой и средней мощности применяют системы фазового компаундирования, обеспечивающие автоматическое изменение тока возбуждения при изменении тока нагрузки. Обмотка возбуждения 2 питается от обмотки якоря 1 через полупроводниковый выпрямитель 6. К входу выпрямителя параллельно подключены вторичные обмотки двух трансформаторов 3 и 5. Их первичные обмотки включены параллельно и последовательно с обмоткой якоря 1. Последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 3 включен реактор 4.

Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения в сети (при удаленных коротких замыканиях) применяют форсировку тока возбуждения. Форсировка осуществляется автоматически релейной защитой, которая замыкает накоротко резисторы или реостаты в цепи обмотки возбуждения возбудителя или подвозбудителя.

Эффективность форсировки возбуждения характеризуется кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя: К_f =U_{f max}/U_{f н},

(где U_{f max} - наибольшее установившееся напряжение возбудителя; U_{f н} - номинальное напряжение возбуждения), а также скоростью нарастания напряжения возбудителя du_f/dt.

В крупных синхронных генераторах должно быть К_f≥1,8-2,0 и
du_f/dt≥ (1,5-2,0) U_{f н} в секунду. В остальных синхронных машинах К_f≥1,4, du_f/dt≥ 0,8 U_{f н} в секунду.