Учебное пособие: Синхронные машины. Машины постоянного тока
Однофазная синхронная машина может работать в качестве
генератора и двигателя. При этом на статоре машины укладывают обмотку якоря
(рис. 1.56, а), занимающую примерно 2/3
его окружности. Располагать обмотку якоря по всей окружности статора
нецелесообразно, так как при этом расход меди увеличится в 1,5 раза, а мощность
повысится незначительно – примерно на 15%. Это объясняется тем, что по мере
увеличения числа пазов уменьшается обмоточный коэффициент, который для машины с
равномерно распределенной
обмоткой якоря составляет около 0,64. Однако из-за уменьшения числа пазов,
заполненных обмоткой, мощность однофазной машины примерно в 1,4 раза меньше
мощности трехфазной машины с одинаковым диаметром статора и при одинаковых
потерях мощности в его обмотке.
Рис. 1.56 – Схематический
разрез однофазной синхронной машины (а) и векторная диаграмма м. д. с. и э. д.
с, создаваемых обратным полем (б): 1-статор, 2-обмотка якоря, 3 – ротор, 4 – обмотка возбуждения
При протекании однофазного тока по обмотке якоря возникает
как прямое Фпр, так и обратное Фобр магнитные поля.
Прямое поле относительно ротора неподвижно; обратное же вращается с угловой
скоростью 2ω1 и индуктирует в обмотке возбуждения э. д. с,
частота которой в два раза больше частоты э. д. с. в обмотке якоря. Протекающий
при этом ток двойной частоты может вызвать искрение на щетках возбудителя и ряд
других нежелательных последствий. Для устранения этих явлений на роторе
однофазной машины обязательно размещают короткозамкнутую демпферную обмотку
типа беличьей клетки. В стержнях демпферной обмотки обратное поле индуктирует
э. д. с. двойной частоты, вследствие чего создаваемая этой обмоткой м. д. с. Fд будет вращаться с той
же частотой и в том же направлении, что и обратное поле, созданное м. д. с. Fобр обмотки статора.
Векторная диаграмма (рис. 1.56, б), иллюстрирующая
взаимодействие этих м. д. с, сходна с векторной диаграммой трансформатора тока.
Так же как и в трансформаторе тока, м. д. с. Fд оказывает
размагничивающее действие на м. д. с. Fобр, при этом результирующая м. д. с. Fрез и создаваемый ею
поток Фрез, а также э. д. с. Ед в
демпферной обмотке и э. д. с. Ев в обмотке возбуждения
резко уменьшаются. Таким образом, при наличии демпферной обмотки обратное поле
почти полностью гасится и через обмотку возбуждения переменный ток практически
не проходит.
Процессы, возникающие в синхронных машинах при переходных
режимах, например при внезапном коротком замыкании или резком изменении
нагрузки, весьма сложны, что вызывает значительные
трудности при их точном количественном расчете. Однако
поведение синхронной машины при указанных режимах имеет очень большое
практическое значение, так как переходные процессы могут вызвать повреждение
машины, а следовательно, и значительные убытки, связанные с перерывом
энергоснабжения промышленных предприятий. Поэтому необходимо иметь общее
представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить
хотя бы приближенно величину аварийных токов, имеющих место при коротком
замыкании.
Рис. 1.57. Графики
изменения токов в обмотках якоря (а), возбуждения (б) и демпферной (в) при коротком замыкании
Внезапное короткое
замыкание синхронного генератора. Рассмотрим трехфазное короткое замыкание
синхронного генератора, работающего предварительно в режиме холостого хода.
Осциллограмма тока якоря в одной из фаз генератора показана
на рис. 1.57. На первый взгляд изменение тока якоря напоминает закон
изменения тока трансформатора при коротком замыкании, описываемый формулой (2–98):
 ,
где iк.п и iк.а – периодическая и
апериодическая составляющие тока короткого замыкания; Iуст m–амплитуда
установившегося тока короткого замыкания; α0 – начальная
фаза напряжения при t = 0, т.е. в момент
начала короткого замыкания; rк и Lк – сопротивление и
индуктивность трансформатора при коротком замыкании.
Однако более подробный анализ показывает, что процесс
короткого замыкания в синхронном генераторе значительно сложнее, чем в
трансформаторе.
Рис. 1.58 – График
изменения тока в обмотке якоря при коротком замыкании
При коротком
замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда
периодической составляющей Iк, п тока генератора (рис. 1.58) и
в конце концов она становится равной амплитуде установившегося тока короткого
замыкания:
 .
В первом полупериоде амплитуда периодической составляющей в
5–8 раз превышает величину Iкm. Это происходит из-за
того, что в начальный момент процесса короткого замыкания э. д. с. синхронного
генератора близка к э. д. с. холостого хода Е0 и
только через 0,6–1,5 с становится равной
 .
Быстрому уменьшению э. д. с. Е и потока Фрез
препятствует появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 1.57, б),
который возникает из-за того, что в обмотке возбуждения индуктируется э. д.
с.
 . (1.52)
Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в
начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до
установившегося значения тока, предшествовавшего короткому замыканию. В
соответствии с уменьшением тока возбуждения снижаются результирующий поток, э.
д. с. генератора и амплитуда периодической составляющей тока короткого
замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды
 . (1.53)
где x'd–продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки
якоря.
Поскольку амплитуда тока постепенно затухает, приближаясь к
установившемуся значению тока короткого замыкания Iкm,
периодическая составляющая тока короткого замыкания может быть представлена в
виде
 , (1.54)
так как индуктивное сопротивление синхронной машины
значительно больше активного и φк ≈ arctg (хк/rк)
≈ π/2.
Переходная постоянная времени T'd обусловлена не только параметрами
обмотки якоря, но и главным образом параметрами обмотки возбуждения и
составляет 0,4 – 3,0 с.
Обычно величина продольного переходного индуктивного
сопротивления в относительных единицах x'd* = 0,2 ÷ 0,5.
Еще большей бывает амплитуда тока короткого замыкания, если
машина имеет успокоительную (демпферную) обмотку, в которой также возникает
переходный ток, замедляющий уменьшение результирующего потока. При наличии
успокоительной обмотки
 , (1.55)
где x"d–сверхпереходное индуктивное
сопротивление по продольной оси. Обычно x"d* = 0,12 ÷ 0,35.
Затухание тока якоря, соответствующее затуханию переходного
тока в демпферной обмотке, определяется сверхпереходной постоянной времени T"d
= 0,03-=-0,15 с, которая зависит в основном от параметров демпферной
(успокоительной) обмотки.
С учетом сказанного периодическая составляющая тока
короткого замыкания принимает вид
 . (1.56)
Поскольку э. д. с. в фазах обмотки статора сдвинуты по
времени, начальный угол α0 для них различен, а
следовательно, различны и токи фаз в переходном процессе.
Апериодические составляющие тока якоря создают неподвижное
в пространстве магнитное поле, которое пересекает вращающийся ротор. Вследствие
этого в обмотках ротора возникают периодические э. д. с. и токи. Так как по
продольной и поперечной осям ротор несимметричен (из-за разных величин
воздушного зазора в явнополюсных машинах; из-за того, что по продольной оси
имеется обмотка возбуждения, а успокоительные обмотки по этим осям могут также
иметь различие), то в апериодическом токе якоря iка появляется переменная
составляющая двойной частоты. При этом
 , (1.57)
где x"q – поперечное сверхпереходное индуктивное сопротивление
обмотки якоря; Та = (х"d + х"q)/(ωrа)
– постоянная времени апериодического тока якоря.
При наличии успокоительной обмотки x"q обычно мало отличается от x"d и тогда
 . (1.58)
Полный ток короткого замыкания
 . (1.59)
Значение тока короткого замыкания будет максимальным в той
фазе, где α0 = 0, примерно через полупериод после начала
короткого замыкания (см. рис. 1.58). Эту величину называют ударным
током. Если в формуле (1.59) пренебречь затуханием тока, то
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 |
