Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной скорости вращения называется синхронным.

Рассмотрим особенности этого режима подробнее, причем предположим для простоты, что сеть, к которой приключена рассматри­ваемая машина, является бесконеч­но мощной, т. е. в ней U = const и f -= const. Практически это озна­чает, что суммарная мощность всех приключенных к этой сети синхрон­ных генераторов настолько велика по сравнению с мощностью приклю­чаемой машины, что изменение ре­жима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети.

Напряжение параллельно рабо­тающего генератора равно напря­жению сети на зажимах генератора. Для простоты предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявнополюсной и сопротивление якоря r_a = 0. Тогда, согласно диаграмме, ток якоря машины опре­деляется простой зависимостью

Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компен­сатора.

Предположим, что при включении на параллельную ра­боту условия синхронизации возбужденного генератора были соблюдены в точности, т. е. тогда, I = 0, т. е. машина не примет на себя никакой нагрузки.

Предположим теперь, что ток возбуждения после синхронизации был увеличен и поэтому . Тогда (рис а) возникает ток I отстающий от &.0, а также от Ё и 0 на 90°. Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что (рис. б), то ток I также будет отставать от на 90°, но будет опережать Е и 0 на 90°, т. е. машина будет отда­вать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощ­ность.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины вызовет в ней только реактивные токи или изменение реактивного тока и реактивной мощности. При синхрон­ная машина называется перевозбужденной, а при — н е д о в о з б у ж д е н н о и. При равенстве актив­ной мощности нулю перевозбужденная синхронная

машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная — индуктивности.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загру­женная реактивным током, называется синхронным ком­пенсатором. Такие компенсаторы применяются для повы­шения коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сетях.

Если, например, такой компенсатор установить в районе боль­шой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий ре­активной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических станций будут полностью или частично разгружены от этой мощно­сти, коэффициент мощности генераторов и сети повысится, потери мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и двигателя.

Изменение тока возбуждения не вызывает появления активной нагрузки или ее изменения. Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необ­ходимо увеличить движущий механический вращающий момент на ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.

Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора, а следовательно, и вектор э. д. с. генератора забегут вперед на некоторый угол (рис. б). При этом возникнет ток I, отстающий, как и ранее, от на 90^o Но, как следует из рис. в, в данном случае

и

т. е. машина отдает в сеть активную мощность.

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э.д.с. отстанет от на некоторый угол , ток будет отставать от на угол ,при этом мощность машины

т.е. машина будет работать в режиме двигателя.

Как следует из рис. в и г, у генератора вектор отстает от вектора , а у двигателя — наоборот. Угол нагрузки в пер­вом случае будем считать положительным, а во втором — отри­цательным.

Характер магнитного поля в зазоре между статором и ротором в режимах генератора и двигателя изображен на рис. 2. У гене­ратора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверх­ности статора на угол вперед, по направ­лению вращения ( >0), а у двигателя—против направления вращения ( <0). Угол можно назвать внутренним уг­лом

Рис 2.

нагрузки. Образование электромагнитного вращающего момента М и направление его действия согласно рис. 35-6 можно объяснить также тяжением магнитных линий.

Преобразование энергии в синхронных машинах нормальной конструкции, с вращающимся индуктором и возбудителем на об­щем валу, иллюстрируется энергетическими диаграммами рис. 3,

Рис 3.

где р_мх — механические потери, р_в — потери на возбуждение синх­ронной машины, включая потери в возбудителе, р_д — добавочные потери от высших гармоник поля в стали статора и ротора, р_мг — основные магнитные потери и р_эл — электрические потери в об­мотке якоря. Для генератора Р₁ — потребляемая с вала механическая мощность и Р₂ — отдаваемая в сеть электрическая мощность, а для двигателя Р₁ — потребляемая из сети электрическая мощ­ность и Р₂ — развиваемая на валу механическая мощность. Электро­магнитная мощность Рэм передается с помощью магнитного поля с ротора на статор в режиме генератора и в обратном направлении — в режиме двигателя. Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механические потери возбуди­теля включаются в потери р_мх

Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тор­мозящего механического момента на валу синхронная машина обладает свойствами саморегулирования и способностью до извест­ных пределов сохранять синхронизм с сетью, т. е. синхронное вращение с другими синхронными машинами, приключен­ными к этой сети. Напри­мер, при приложении к валу положительного вращающего момента М_ст„ ротор будет уско­ряться и угол нагрузки будет расти от нуля (рис. б). Вместе с тем машина начинает нагружаться активной мощностью Р и разви­вать тормозящий электромагнитный момент М. При этом величины , Р и М будут расти до тех пор, пока не наступит равновесие моментов M_ст = М на валу. Одновременно с этим восстановится также баланс между потребляемой с вала механической мощ­ностью, отдаваемой в сеть электрической мощностью и потерями в машине. В случае приложения к валу тормозящего момента М_ст угол будет расти по абсолютной величине также до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов на валу и баланс мощностей.

Все изложенное выше действительно также для явнополюсной машины с той лишь разницей,

Параллельная работа синхронных генераторов на сеть ограни­ченной мощности.

В ряде случаев мощность отдельного генератора составляет значительную часть мощности всех генераторов системы. В других случаях станция с несколькими генераторами соединена с мощной системой через длинную линию передачи. Хотя в этих условиях установленные выше общие положения также сохра­няются в силе, однако при этом изменение режима работы одного генератора оказывает все же заметное влияние на режим работы других генераторов.

Для выяснения особенностей параллельной работы в этих усло­виях допустим, что параллельно на общую сеть работают два гене­ратора одинаковой мощности, снабжая электроэнергией группу потребителей Если, например, увеличить одновре­менно токи возбуждения i_f1, i_f2 этих генераторов, то напряжение U обоих генераторов и всей сети возрастет. При увеличении U в об­щем случае возрастет также реактивная мощность потребителей, например асинхронных двигателей. При эта мощность распределится поровну между обоими генераторами.

Если увеличить только то U также возрастет, но в мень­шей степени. В то же время реактивная мощность генератора Г1 увеличится, а генератора Г2 — уменьшится. При увеличении i_f1 для сохранения U-= const ток i_f2 другого генератора нужно уменьшить. При этом реактивная мощность генератора Г1 возрастет, а генера­тора Г2 — уменьшится.

Таким образом, в системе ограниченной мощности для повыше­ния напряжения сети необходимо увеличивать токи возбуждения всех генераторов, а для перераспределения общей реактивной мощности между отдельными генераторами при U = const нужно токи возбуждения одних генераторов увеличивать, а других — уменьшать.

Если увеличить вращающие моменты или мощности первичных двигателей всех генераторов в системе ограниченной мощности, то скорость вращения этих двигателей и частота сети будут возрастать. При этом повысится также мощность потребителей, например, в ре­зультате повышения скорости вращения асинхронных двигателей. Повышение частоты будет происходить до тех пор, пока не насту­пит баланс мощностей между первичными двигателями и потреби­телями с учетом потерь в генераторах и сети. Для сохранения I = const при увеличении мощности первичного двигателя одного генератора мощность первичного двигателя второго нужно умень­шить. При этом происходит перераспределение активных мощно­стей.

При недостатке генерируемой активной мощности в системе частота f будет падать, что нарушит нормальное энергоснабжение потребителей. При недостатке генерируемой реактивной мощности в системе (невозможность поддерживать на необходимом уровне реактивную мощность генераторов электростанций и синхронных компенсаторов во избежании перегрузок их током) напряжение системы будет падать, при определенных условиях даже катастрофически. Поэтому сохранение баланса реактивных мощностей в системе не менее важно, чем сохранение баланса активных мощностей.