Несимметричная нагрузка синхронного генератора

 

Несимметричная нагрузка возникает при не равномерном распределении однофазных приемников по фазам, а также при обрыве фаз и несимметричном установившимся коротком замыкании. При анализе несимметричного режима используется метод симметричных составляющих, согласно которому каждая из трех фаз может быть представлена в виде трех симметричных составляющих: прямой, обратной и нулевой последовательности.

,

_, (3.5)

.

Где – токи прямой последовательности,

– токи обратной последовательности,

– токи нулевой последовательности.

Системы различных последовательностей можно рассмотреть отдельно, предлагая, что насыщение отсутствует.

Токи прямой последовательности создают МДС реакции якоря, вращающуюся синхронно с ротором, как это имеет место в СГ при симметричной нагрузке. При несимметрии нагрузки в СГ возникают токи обратной последовательности, которые создают обратно–синхронную МДС и обратное синхронное поле, которые вращаются с синхронной частотой в направлении противоположном вращению ротора.

Токи нулевой последовательности создают лишь пульсирующие поля рассеяния, соответствующие высшим гармоникам , а основная гармоника поля будет отсутствовать.

Токи различных последовательностей можно определить через реальные несимметрические токи согласно следующим выражениям

,

, (3.6)

.

Для других фаз имеем

, , , , , (3.7)

где и .

Выражения (3.5,…,3.7) справедливы и для несимметричной системы напряжений

. (3.8)

С другой стороны это выражение можно записать в виде:

. (3.9)

Сравнивая (3.8) и (3.9) будем иметь:

,

, (3.10)

.

Здесь – полные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности.

При симметрической нагрузке существуют лишь токи прямой последовательности и каждое из фазных напряжений СГ определяется первым уравнением системы (3.10). При этом ,

где - активное сопротивление обмотки статора,

- синхронное индуктивное сопротивление неявнополюсной СМ.

В случае явнополюсной СМ будем иметь

– полное сопротивление прямой последовательности по продольной оси,

– полное сопротивление прямой последовательности по поперечной оси.

Полное сопротивление обратной последовательности

.

Здесь – активное сопротивление обратной последовательности.

При этом , это связано с тем, что токи обратной последовательности обуславливают дополнительные потери в пассивных элементах ротора и успокоительной обмотке.

- индуктивное сопротивление обратной последовательности.

Индуктивное сопротивление . Это связано с тем, что токи обратной последовательности создают обратное синхронное поле, вращающиеся с двойной синхронной скоростью относительно ротора. Следовательно, это поле наводит в элементах ротора и в частности в успокоительной обмотке, расположенной в полюсных наконечниках, токи двойной частоты, которые демпфируют обратное поле, существенно уменьшая его.

Сопротивление обратной последовательности можно определить экспериментально. Для этого надо замкнуть обмотку возбуждения и привести ротор во вращение с синхронной частотой вращения в сторону, противоположную вращению магнитного поля, которое создается статором. При выполнении опыта измеряется напряжение, ток и мощность.

.

В случае явнополюсной СМ обратное синхронное поле демпфируется по продольной и поперечной осям неодинаково. Поэтому, будут неодинаковые и полные сопротивления по продольной и поперечной осям .

В этом случае при определении сопротивления обратной последовательности следует исходить из среднего значения тока обратной последовательности

,

.

Так как , то .

Обычно для неявнополюсных СГ, для явнополюсных СГ.

Сопротивление нулевой последовательности , где , – индуктивное сопротивление нулевой последовательности, ( при укороченном шаге). Сопротивление нулевой последовательности можно определить экспериментально. При этом обмотку возбуждения замыкают накоротко, и ротор приводят во вращение с синхронной скоростью. Фазные обмотки статора соединяются последовательно, и к ним подводится напряжение (рис. 3.37).

.

Несимметричная нагрузка сопровождается нежелательными явлениями. Обратное синхронное поле вызывает дополнительные потери в пассивных частях ротора и его обмотке (от токов двойной частоты.) При этом уменьшается КПД и сильно увеличивается температура ротора. Возможно искажение симметрии напряжений. В результате взаимодействия обратного синхронного поля и поля возбуждения появляется усилия двоичной частоты, что приводит к шуму и вибрации.

 

Несимметричные установившиеся короткие замыкания

Несимметричные установившиеся короткие замыкания являются предельными случаями несимметричной нагрузки. Рассмотрим однофазное установившееся короткое замыкание (рис. 3.38,а).

В этом случае , , . Токи прямой, обратной и нулевой последовательности соответственно будут

.

Тогда напряжение фазы

,

отсюда .

 

 

Установившийся ток однофазного короткого замыкания

.

При двухфазном установившемся коротком замыкании (рис.3.38,б) будем иметь

, ,

Токи прямой, обратной и нулевой последовательности соответственно будут

, .

Напряжения фаз: , ,

.

Отсюда имеем:

или .

Преобразуя последнее уравнение с учетом изложенного выше, будем иметь

или .

Тогда .

Так как активные сопротивления невелики, то можно считать что

.

В соответствии с этим

, , .

Последние выражения позволяют определить индуктивные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности (рис. 3.39), если известна характеристика холостого хода, а также характеристик одно–, двух и трехфазного симметричного короткого замыкания.

; ; ; ; .

Здесь – индуктивное сопротивление прямой последовательности,

– индуктивное сопротивление обратной последовательности,

– индуктивное сопротивление нулевой последовательности.