Вопрос №4 Общая характеристика статической устойчивости

Угловая характеристика синхронной машины имеет важное значение для оценки статической устойчивости и степени перегружаемости. Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение (т. е. условие п₂ ⁼ п₁) при изменении внешнего вращаю­щего или тормозного мо­мента М_вн, приложенно­го к ее валу. Статичес­кая устойчивость обеспе­чивается только при уг­лах θ < π/2.

Условия статической устойчивости. Допустим, что синхронный генера­тор работает при неко­тором внешнем моменте М_вн, передаваемом его ротору от первичного двигателя. При этом ось полюсов сдвинута на не­который угол θ относи­тельно оси суммарного потока Σ Φ и машина раз­вивает электромагнитный момент М, который мож­но считать равным М_вн (точки А и С на рис. 8.29, а). Если момент М_вн возрастает, то ротор генератора ускоряется, что приводит к увеличе­нию угла θ до значения θ + Δθ. При работе ма­шины в точке А воз­растание

угла θ вызывает увеличение электромагнитного момента до значения М+ΔМ (точка В); в результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, восстанавливается и машина после некоторого колебательного процесса продолжает работать с синхронной частотой вращения.

Аналогичный процесс происходит и при уменьшении М_вн; при этом соответственно уменьшаются угол θ и момент М, а следовательно, равновесие моментов также восстанавли­вается. Однако если машина работает при π/2 < θ < π (точка С), то увеличение угла θ вызывает уменьшение электромагнитного момента до значения Μ—Δ Μ (точка D). В результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол θ возрастать. Возрастание угла θ может привести к двум результатам: 1) машина переходит в точку устойчивой работы (аналогичную точке А) на последующих положи­тельных полуволнах; 2) ротор по инерции проскакивает устойчивое положение, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Рис. 8.28. Характеристики взаимодейст­вия потоков Фв и ΣΦ синхронной ма­шины

Рис. 8.29. Угловые характеристики при различных значениях E₀

Выпадение из синхронизма — аварийный режим, так как сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора Ε и на­пряжение сети U_c при указанном режиме могут складываться по контуру «генератор — сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе.

Если внешний момент по какой-либо причине снижается, то при работе машины в точке С угол θ умень­шается, электромагнитный момент возрастает, что приводит к дальнейшему уменьшению угла θ и переходу к работе в устойчивой точке А.

Из рассмотрения рис. 8.29, а следует, что синхронная машина работает устойчиво, если dM/dθ > 0, и неустойчиво, если dM/dθ < 0; чем меньше угол θ, тем больший запас по устойчивости имеет машина.

Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле θ, то малое отклонение Δθ от этого угла сопровождается возникновением момента

ΔΜ=(d/Μ/dθ)Δθ, (8.38)

который стремится восстановить исходный угол θ. Этот мо­мент называют синхронизирующим. Ему соответствует поня­тие синхронизирующей мощности.

Производные dM/dθи dP_3M/dθназывают соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхрони­зирующей мощностью (иногда их называют коэффициентами синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности). При неявнополюсной машине dM/dθ = M_maxcosθ; dP_3м/dθ = P_эмmaxCOSθ.

Удельный синхронизирующий момент имеет максималь­ное значение при θ = 0— с возрастанием θ он уменьшается; при θ = π/2 он равняется нулю, поэтому синхронные машины обычно работают с θ = 20...35°, что соответствует дву­кратному или несколько большему запасу по моменту.

Статическая перегружаемостъ синхронной машины оце­нивается отношением

(8.40)

Согласно ГОСТу это отношение для мощных генераторов должно быть не менее 1,6... 1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности — не менее 1,65.

Влияние тока возбуждения на устойчивость. Устойчивость генератора при заданном значении активной мощности, отдаваемой в сеть, зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения возрастает ЭДС Е_о, а следо­вательно, и момент М_тах; при этом увеличивается устой­чивость машины.

На рис. 8.29, б изображены угловые характеристики при различных токах возбуждения (при различных Е_о), откуда следует, что чем больше ток возбуждения, тем меньше угол θ при заданной нагрузке, а следовательно, тем больше отношение М_mах/М_ном и перегрузочная способность.

Обычно электрическая сеть, на которую работают синх­ронные генераторы, является для них активно-индуктивной нагрузкой (генераторы отдают как активную Р, так и ре­активную Q мощности). При этом синхронные генераторы должны работать с некоторым перевозбуждением, обеспечи­вающим повышение перегрузочной способности. Так, например, согласно ГОСТу, в синхронных генераторах при номиналь­ном режиме ток должен опережать напряжение сети _с (т. е. отставать от напряжения _ ) и иметь cos φ = 0,8. Однако если сеть создает активно-емкостную нагрузку (например, из-за подключения к ней большого числа ста­тических или вращающихся компенсаторов), то генератор для поддержания стабильного напряжения работает с недовозбуждением, т. е. при токе I_a, опережающем напряжение U. Такой режим неблагоприятен для него, так как с умень­шением тока возбуждения при заданной активной мощности Ρ возрастает угол θ и снижается перегрузочная способность М_mах/М_ном, определяющая устойчивость машины.

Регулирование тока возбуждения. В современных синхрон­ных генераторах широко применяют автоматическое регули­рование тока возбуждения для стабилизации напряжения при изменении нагрузки и повышения статической и ди­намической устойчивости. Для этого генераторы большой мощности снабжают регуляторами сильного действия, ко­торые реагируют не только на отклонение напряжения U от установленного значения, но и на производные во времени dU/dt и dl/dt; последняя производная определяется измене­ниями угла нагрузки dθ/dt.