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
 

Несимметричная нагрузка трехфазного генератора 

Несимметричная нагрузка трехфазных генераторов при неравномерном распределении однофазных приемников энергии. Однако в большинстве случаев достижение практически симметричной нагрузки не представляет затруднений.

Если нагрузку составляют однофазные электрические печи большой мощности, например на металлургических заводах, то распределению таких приемников энергии между фазами трехфазной сети следует уделять особое внимание. При наличии на указанных заводах собственных небольших электрических станций все же приходится считаться с возможностью заметной несимметрии нагрузки генераторов этих станций.

Несимметричная нагрузка может получиться при аварийных режимах, например в случае обрыва одного из проводов линии или при работе генераторов на линию через неполную трансформаторную группу. Возможны также несимметричные короткие замыкания: двухфазное, однофазное (при наличии нулевого провода).

Таким образом, исследование работы трехфазных генераторов при несимметричной нагрузке наряду с теоретическим имеет и практическое значение. При этом исследовании мы будем пользоваться методом симметричных составляющих. Примем, что нагрузка характеризуется несимметричной системой токов в фазах статора , которая при разложении дает все три симметричные составляющие системы:  (токи прямой последовательности);  (токи обратной последовательности);  (токи нулевой последовательности). Можно действие каждой из этих симметричных систем токов в синхронной машине с симметричной обмоткой на статоре учитывать отдельно.

Токи прямой последовательности создадут н.с., вращающуюся в сторону вращения полюсов с синхронной частотой. Будем ее называть прямо-синхронной н.с. Она будет неподвижна относительно полюсов и определенным образом воздействовать на основное поле машины, т. е. создавать реакцию якоря в том смысле, в каком понимается это явление.

Токи обратной последовательности создадут н.с., вращающуюся в обратную сторону с синхронной частотой. Будем ее называть обратно-синхронной или обратной н.с. Она будет вращаться относительно полюсов с двойной синхронной частотой и вызовет соответствующее обратно-синхронное (или обратное) поле.

Токи нулевой последовательности создадут н.с., первые гармоники (так же как и гармоники с номером 5, 7, 11, 13 и т. д.) которые в сумме дадут нуль. Останутся только гармоники с номером, кратным трем. Они вызовут пульсирующие поля, оказывающие на работу машины относительно слабое влияние.

а) Обратно-синхронное поле.

 Обратно-синхронное поле, вызванное обратной н.с статора, не будет иметь, как увидим, постоянной амплитуды.

Если бы были одинаковы магнитные проводимости и электрические цепи ротора по его продольной и поперечной осям, то мы могли бы считать, что работа синхронной машины по отношению к токам обратной последовательности подобна работе асинхронной машины в режиме тормоза при скольжении s = 2. В действительности мы должны учесть как различие магнитных цепей, так и различие электрических контуров ротора по его продольной и поперечной осям. Вследствие указанного различия обратно вращающееся поле будет непостоянным. Оно будет изменяться в зависимости от положения его оси относительно оси полюсов.

В машине с цилиндрическим массивным ротором при разомкнутой обмотке возбуждения обратное поле практически не будет изменяться, так как здесь магнитные проводимости по продольной и поперечной осям ротора почти одинаковы. Поле будет в большой степени заглушаться вихревыми токами, наведенными им в массивном роторе. При замкнутой обмотке возбуждения обратное поле по продольной оси будет ослабляться в большей степени, чем по поперечной оси, так как н.с. от токов двойной частоты, наведенных в обмотке возбуждения, будет действовать против обратной н.с. при совпадении ее оси с осью полюсов. Все же различие обратного поля по продольной и поперечной осям ротора и в этом случае получается относительно небольшое, так как основное заглушающее действие оказывают вихревые токи, наведенные в массивном роторе.

Обратимся к явнополюсной машине, и будем считать, что ее полюсы и ярмо ротора собраны из листов и что на полюсах помещена только одна обмотка возбуждения.

Для более подробного рассмотрения действия обратной н.с. статора, вращающейся относительно ротора с двойной синхронной частотой, целесообразно заменить ее двумя пульсирующими с двойной частотой н.с., связанными с вращающимся ротором. Обе эти пульсирующие н.с. должны иметь амплитуды, равные амплитуде обратной н.с. статора, и быть сдвинутыми в пространстве и во времени на 90°. Тогда, очевидно, их результирующая дает исходную обратную н.с. статора. Будем считать, что одна из пульсирующих н.с., связанных с ротором, пульсирует по продольной оси, а другая по поперечной оси. Первую назовем продольно пульсирующей составляющей, а вторую – поперечно пульсирующей составляющей обратной н.с. статора.

Продольно пульсирующая н.с, вызывает пульсирующее с двойной частотой продольное поле. Оно будет в большой степени заглушаться действием токов, наведенных им в обмотке возбуждения. В результате наложения переменного тока на постоянный кривая тока в обмотке возбуждения будет иметь вид, представленный на рис. 4-44. Поэтому при измерении тока возбуждения магнитоэлектрическим амперметром показание его будет меньше, чем при измерении того же тока каким-либо другим амперметром, например тепловым или электродинамическим.

Рис. 4-44. Кривая тока в обмотке возбуждения при наличии обратного поля

Поле, вызванное поперечно пульсирующей составляющей обратной н.с. статора, будет ослабляться в небольшой степени, так как вихревые токи, возникающие в стальных листах ротора, будут создавать лишь незначительную противодействующую н.с. Следовательно, результирующая поперечно пульсирующая н.с. будет больше, чем результирующая продольно пульсирующая н.с.

Чтобы выяснить действие результирующей поперечно пульсирующей н.с., заменим ее двумя н.с., вращающимися относительно ротора в разные стороны с двойной синхронной частотой 2п. Так как сам ротор вращается с синхронной частотой, то одна из указанных вращающихся н.с. будет вращаться относительно статора с частотой -2п+п = - п, т. е. с синхронной частотой в обратную сторону относительно статора, а другая – с частотой 2п+п = 3п, т. е. с тройной синхронной частотой. Первая н.с. создает поле, которое наводит в обмотке статора э.д.с. номинальной частоты, но обратной последовательности; вторая н.с. создает поле, которое наводит в обмотке статора э.д.с. тройной частоты. Эти э.д.с. тройной частоты, наведенные в фазах обмотки статора, будут сдвинуты по фазе на 120°; следовательно, они будут  проявляться как в фазных, так и в междуфазных напряжениях. Их следует отличать от э.д.с., наведенных третьими гармониками поля. Можно себе представить, что рассматриваемые э.д.с. тройной частоты создаются полем ротора с тем же числом полюсов, какое он имеет, но вращающимся с тройной синхронной частотой.

Для того чтобы работа генератора при наличии токов обратной последовательности могла быть удовлетворительной, необходимо ослабить поле, создаваемое поперечно пульсирующей н.с. Вместе с тем желательно, чтобы поле, создаваемое продольно пульсирующей н.с., заглушалось не токами в обмотке возбуждения, а токами в другой обмотке, специально для этого устроенной. В этом случае удается почти совершенно избавиться от токов двойной частоты в обмотке возбуждения, ухудшающих условия коммутации возбудителя. Для ослабления указанных вредных действий обратной н.с. статора на роторе устраивается особая обмотка, называемая успокоительной. Она, как будет показано в дальнейшем, часто имеет и другое назначение.

б) Успокоительная обмотка.

 Успокоительной (или демпферной) обмоткой называется короткозамкнутая обмотка, помещенная на роторе. В явнополюсной машине успокоительная обмотка обычно выполняется в виде стержней, заложенных в пазы полюсных наконечников и соединенных на торцовых сторонах пластинами. Если пластины с торцовых сторон соединяют стержни лишь в пределах полюсной дуги, то получается продольная успокоительная обмотка (рис. 4-45). Если пластины при этом соединяются в кольца, размещенные вдоль всей окружности ротора, то получается продольно-поперечная обмотка (рис. 4-46).

Рис. 4-45. Продольная успокоительная обмотка.

Рис. 4-46. Продольно-поперечная успокоительная обмотка.

При наличии успокоительной обмотки продольно пульсирующая н.с. будет уравновешиваться главным образом токами в этой обмотке. Тем самым обмотка возбуждения почти совершенно освобождается от токов двойной частоты. (В данном случае можно провести аналогию с трехобмоточным трансформатором, имеющим одностороннее расположение вторичных обмоток. При замыкании накоротко вторичной обмотки, расположенной рядом с первичной, ток, наведенный в другой вторичной обмотке, замкнутой накоротко, будет очень мал (см. § 2-16).) При наличии короткозамкнутых контуров по поперечной оси будет также ослабляться действие поперечно пульсирующей н.с.

Успокоительная обмотка должна иметь небольшие активное и индуктивное сопротивления – только в этом случае ее действие будет достаточно эффективным.

Современные турбогенераторы отечественных заводов не имеют на роторе особых успокоительных обмоток. Здесь роль успокоительной обмотки выполняют контуры вихревых, токов, наведенных обратным полем в массивном роторе Они оказывают сильное заглушающее действие.

в) Параметры синхронной машины при несимметричной нагрузке.

 Для обычных случаев, когда статорная обмотка генератора симметрична, э.д.с. холостого хода , наведенные в фазах, образуют симметричную звезду векторов. Они, как указывалось ранее, могут быть найдены при помощи векторных диаграмм по э.д.с. , которые также образуют симметричную звезду векторов, так как эти э.д.с. наводятся потоком воздушного зазора, созданным результирующей н.с. обмотки возбуждения и прямо-синхронной н.с. статора (от токов прямой последовательности). Действие прямо-синхронной н.с. статора и представляет собой реакцию якоря, которую мы можем учесть, например для фазы а э.д.с. . Для ненасыщенного неявнополюсного генератора .

Токи прямой последовательности вызовут в фазах статорной обмотки падения напряжения:

при Zσ = rа + jxσ, где rа и хσ – активное и индуктивное сопротивления рассеяния.

Полю, вызванному обратной н.с. от токов обратной последовательности, соответствует индуктивное сопротивление x2 для этих токов. Оно называется индуктивным сопротивлением обратной последовательности. Сопротивление х2 будет изменяться в соответствии с изменением магнитной проводимости для обратно вращающегося поля, причем здесь имеется в виду проводимость индукционных трубок этого поля с учетом его оттеснения под действием токов, наведенных в контурах ротора.

Можно принять с некоторым приближением, что x2 пропорционально среднему значению проводимостей обратно вращающегося поля, получающихся при совпадении его оси с продольной и поперечной осями ротора. Очевидно, что х2 > хσ, так как токи обратной последовательности наряду с полем рассеяния, аналогичным полю рассеяния от токов прямой последовательности, создают также поле внутри статора.

Активное сопротивление обратной последовательности r2 также отличается от сопротивления r1 = rа. Оно обусловлено не только электрическими потерями в обмотке статора и потерями, вызванными полями рассеяния (что мы имеем для rа), но и потерями в электрических цепях ротора от токов, наведенных обратным полем.

Токи обратной последовательности вызовут в фазах статорной обмотки падения напряжения:

где .

При наличии в обмотке статора токов нулевой последовательности, которые могут иметь место только при соединении обмотки в звезду и при использовании нулевого провода, эти токи будут вызывать падения напряжения:

где .

Сопротивления  – сопротивления нулевой последовательности.

Пренебрегая высшими гармониками н.с. отдельных фаз, созданных токами нулевой последовательности, получим, что их результирующая н.с. равна нулю. Следовательно, токи нулевой последовательности не будут создавать поля внутри статора. Будет возникать только поле рассеяния. Но оно отличается от поля рассеяния токов прямой последовательности вследствие различия взаимной индукции фаз. Сопротивление r0  r1; сопротивление х0 обычно меньше хσ. Оно в большой степени зависит от укорочения шага обмотки, а также от расположения ее лобовых частей.

Применение системы относительных единиц в теории синхронных машин   Система относительных единиц или долевых значений в настоящее время широко применяется при всякого рода практических расчетах, связанных с исследованием синхронных машин. К ее основным преимуществам нужно отнести то, что она облегчает расчеты, так как здесь при вычислениях приходится иметь дело с величинами, близкими к единице, а также то, что результаты расчетов в системе относительных единиц для машин различных типов и различной мощности мало отличаются друг от друга и поэтому легко позволяют производить сравнение машин.

Характеристики и векторные диаграммы При исследовании синхронных генераторов, так же как и при исследовании других электрических машин, обращаются к их характеристикам, т. е. к кривым, определяющим зависимости между величинами, характеризующими рабочие режимы машины.

Индукционная нагрузочная характеристика

Характеристики и векторные диаграммы Характеристики холостого хода современных турбогенераторов и гидрогенераторов в относительных единицах мало отличаются от нормальных характеристик, построенных по табл. 4-2, где приведены усредненные значения по данным испытания многих

Электротехника