Электрические двигатели и генераторы

Электротехника
Электрические машины и трансформаторы
Определение фазных и линейных токов приемников
Электрическая машина
Принцип действия асинхронного двигателя
Трансформаторы

Векторная диаграмма трансформатора

Переходные процессы в трансформаторах
Трансформаторные устройства специального назначения
Холостой ход трансформатора
Опыт короткого замыкания
Трехобмоточный трансформатор
Измерительные трансформаторы.
Электрические двигатели и генераторы
Асинхронный генератор
Параметры асинхронной машины 
Регулирование скорости вращения

Однофазные асинхронные двигатели.

Асинхронный преобразователь частоты 
Генераторы переменного тока
Трехфазный синхронный генератор
Несимметричная нагрузка трехфазного генератора
Однофазный синхронный генератор
Синхронный двигатель 
Синхронные машины заводов Советского Союза
Машины постоянного тока – генераторы и двигатели
Генератор с параллельным возбуждением
Электромашинные усилители
Электромашинные преобразователи тока
 

Внезапное короткое замыкание синхронной машины 

В синхронной машине, так же как и в любой другой электрической машине, при переходе от одного установившегося режима работы к другому возникает ряд явлений, изучение которых имеет важное значение, так как на практике с ними часто приходится иметь дело. Эти явления переходного процесса возникают вследствие изменения энергии магнитных полей машины, а также вследствие изменения кинетической энергии ее вращающихся частей.

Изменение кинетической энергии вызывается нарушением равновесия вращающих моментов, действующих на ротор машины. Возникающие при этом переходные процессы, если машина работает параллельно с другими синхронными машинами, характеризуются колебаниями частоты вращения около синхронной.

Мы здесь рассмотрим главным образом переходные процессы, которые обусловлены изменением энергии магнитных полей. Они возникают при всяком нарушении режима работы синхронной машины и особенно резко проявляются при внезапном коротком замыкании обмотки статора. В этом случае в обмотках статора и ротора возникают очень большие токи, во много раз превышающие их номинальные значения. Такие токи опасны не только для самой машины, но и для аппаратуры и других элементов распределительных устройств электрических станций и подстанций, с которыми она связана. В машине они создают значительные механические силы, особенно опасные для лобовых частей обмоток статора. Кроме того, создаются большие вращающие моменты, действующие на ротор и статор, которые также необходимо иметь в виду при конструировании машины.

Точное исследование процессов, возникающих в синхронной машине при ее внезапном коротком замыкании, весьма сложно. Поэтому приходится ограничиваться приближенным исследованием, основанным на ряде допущений.

Мы здесь рассмотрим эти процессы только с физической стороны и напишем некоторые соотношения, характеризующие их.

Рассмотрим сначала трехфазное короткое замыкание и примем, что частота вращения при этом остается неизменной. Будем считать, что активные сопротивления всех контуров машины равны нулю. Тогда согласно закону Ленца, который в этом случае называют «законом постоянства потокосцеплений», потокосцепления контуров должны остаться неизменными.

Пусть короткое замыкание произошло при холостом ходе машины, когда ось рассматриваемой фазы статора совпадала с осью полюсов, когда, следовательно, ее потокосцепление было наибольшим. При повороте ротора поток полюсов, сцепляющийся с этой фазой, будет уменьшаться и сделается равным нулю, когда ротор повернется на 90 эл. град. В фазе возникнет ток, стремящийся поддержать прежнее значение потокосцепления. При дальнейшем повороте ротора на 90 эл. град ток в фазе статора еще больше увеличивается, так как он должен не только создать прежнее потокосцепление, но и противодействовать н.с. обмотки возбуждения. Когда ротор снова повернется на 180 эл. град, т. е. займет исходное положение, то ток фазы будет равен нулю.

Мы можем считать, что ток в фазе будет иметь две составляющие: периодическую и апериодическую. Периодические токи фаз статора создадут вращающуюся н.с., неподвижную относительно полюсов. Ее ось совпадает с осью полюсов, так как эти токи можно рассматривать как чисто реактивные. Апериодические токи фаз статора создают поле, неподвижное относительно статора (неподвижное в пространстве).

Можно провести аналогию с трансформатором и принять при этом, что короткое замыкание обмотки статора аналогично включению короткозамкнутого трансформатора на синусоидальное напряжение (э.д.с. обмотки статора соответствует напряжению, приложенному к трансформатору).

Наибольшее значение тока в фазе статора получается по аналогии с трансформатором в том случае, если наведенная в ней э.д.с. в момент короткого замыкания была равна нулю. Оно получается, спустя полпериода после короткого замыкания, и принимается равным:

 

или

.          (4-89)

Это наибольшее возможное значение тока при трехфазном коротком замыкании называется ударным током короткого замыкания. В (4-89) взят коэффициент 1,8 вместо 2, чтобы учесть затухание апериодической составляющей тока короткого замыкания. Принимается, что короткое замыкание произошло при

.

Индуктивные сопротивления по продольной оси  называются соответственно переходным и сверхпереходным. Первое из них  нужно брать для машин, не имеющих успокоительной обмотки на роторе (соответствует индуктивному сопротивлению короткого замыкания двухобмоточного трансформатора), второе  – для машин с успокоительной обмоткой на роторе (соответствует индуктивному сопротивлению трехобмоточного трансформатора при замкнутых накоротко обеих вторичных обмотках). Обычные значения для переходного и сверхпереходного индуктивных сопротивлений по продольной оси:  = 0,15  0,4;  = 0,11  0,20.

Токи в обмотках машины при неустановившемся процессе короткого замыкания затухают, чему соответствует уменьшение энергии магнитных полей, сцепляющихся с обмотками, так как в действительности активные сопротивления обмоток не равны нулю. На рис. 4-88 приведены осциллограммы токов обмоток при трехфазном коротком замыкании. Мы видим, что вначале ток статора быстро затухает в соответствии главным образом с затуханием апериодической составляющей тока в успокоительной обмотке. Этот процесс быстрого затухания тока принято называть сверхпереходным. Далее мы имеем переходный процесс до установившегося режима короткого замыкания. Здесь амплитуда переходного тока затухает в соответствии (в основном) с затуханием апериодической составляющей тока в обмотке возбуждения. Апериодическая .составляющая тока статора затухает довольно быстро; в соответствии с ней затухают переменные токи в успокоительной обмотке и в обмотке возбуждения.

Рис. 4-88. Осциллограммы токов при трехфазном коротком замыкании.
а – тока фазы статора i1 (при е0 = 0 в момент замыкания); б –тока в обмотке возбуждения iв; в –тока в успокоительной обмотке iу.

Ударный ток короткого замыкания создает очень большие электромагнитные (механические) силы, действующие на лобовые части обмотки статора; поэтому они должны быть надежно укреплены. Особенно это важно для больших машин с малым числом полюсов (турбогенераторы), имеющих относительно длинные лобовые части. Они здесь укрепляются при помощи бандажных колец K, охватывающих лобовые части и укрепленных в свою очередь при помощи кронштейна В (рис. 4-89).

Рис. 4-89. Крепления лобовых частей статорной обмотки турбогенератора.

Каждая катушка обмотки привязывается прочным шнуром к бандажным кольцам и, кроме того, между катушечными сторонами укрепляются дистанционные прокладки из изоляционного материала, чтобы предотвратить тангенциальные смешения катушечных сторон, особенно в местах их выхода из пазов.

Как отмечалось, создаются также очень большие моменты, действующие на статор и ротор. Их мгновенные значения особенно велики при двухфазном коротком замыкании. В этом случае они достигают примерно 10-кратного значения по сравнению с номинальным моментом. На такие моменты должны быть рассчитаны, например, болты, укрепляющие машину на фундаменте. Что касается вала и муфты, соединяющей синхронную машину с первичным двигателем, или с возбудителем, или с каким-либо рабочим механизмом, то момент Мв, действующий на них, будет зависеть от соотношения между маховым моментом (GD2)с ротора синхронной машины и внешним маховым моментом (GD2)вн:

,

где Mк – наибольшее мгновенное значите электромагнитного момента при двухфазном коротком замыкании.

Электротехника