§ 6.12. СТАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Условия 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 Мвн , приложенного к ее валу. Статическая устойчивость обеспечивается только при углах θ, соответствующих М < Мmах .

Допустим, что синхронный генератор работает при некотором внешнем моменте Мвн , передаваемом его ротору от первичного двигателя. При этом ось полюсов ротора сдвинута на некоторый угол в относительно оси суммарного потока ΣФ и машина развивает электромагнитный момент М, который можно считать равным Мвн (точки А и С на рис. 6.40, а).Если момент Мвн возрастает, то ротор генератора ускоряется, что приводит к увеличению угла θ до значения θ + Δθ. При работе машины в точке А возрастание угла в вызывает увеличение электромагнитного момента до значения М + ΔM (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 Мвн ; 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 М - ΔМ (точка D). В результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол в 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 устойчивые положения, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Рис. 6.40. Угловые характеристики при различных значениях Е0

Выпадение из синхронизма является аварийным режимом, так как оно сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора E и напряжение сети Uc 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. 6.40, 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

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

Производные dM/dθ и dPэм /dθ называют соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью (иногда их называют коэффициентами синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности). При неявнополюсной машине dM/dθ = Mmax cos θ; dPэм /dθ = Pэм max cos θ. 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

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, от-даваемой в сеть, зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения возрастает ЭДС E0, а следовательно, и момент Мmах ; при этом увеличивается устойчивость машины.

На рис. 6.40, б изображены угловые характеристики при различных токах возбуждения (при различных E0), откуда следует, что чем больше ток возбуждения, тем меньше угол в при заданной нагрузке, а следовательно, тем больше отношение Мmах /Мном и перегрузочная способность генератора.

Обычно электрическая сеть, на которую работают синхронные генераторы, является для них активноиндуктивной 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 Íа должен опережать напряжение сети Úc (т. е. отставать от напряжения Ú 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 Ia , опережающем напряжение U. Такой режим неблагоприятен для него, так как с уменьшением тока возбуждения при заданной активной мощности Р возрастает угол θ и снижается перегрузочная способность Мmах /Мном , 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 dIa/dt; последняя производная определяется изменениями угла нагруз¬ки dθ/dt.

Компаундированные системы возбуждения. В современных синхронных генераторах широко применяют компаундирование, т. е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении тока нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазового компаундирования (рис. 6.41). В этой системе обмотка возбуждения 2 генератора получает питание от обмотки якоря 1 через полупроводниковый выпрямитель 6. Ко входу выпрямителя подключены параллельно вторичные обмотки двух трансформаторов 3 и 5, первичные обмотки которых включены соответственно параллельно и последовательно с обмоткой якоря 1. Последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 3 включен реактор 4.

На рис. 6.42, а приведена упрощенная схема замещения рассматриваемой системы при условии, что внутренние сопротивления трансформаторов 3 и 5 (см. рис. 6.41) и выпрямителя 6 равны нулю. Из нее следует:

где Í'в — ток на входе в выпрямитель 6; Iu и Ii — выходные токи трансформаторов 3 и 5; Uu — выходное напряжение трансформатора 3; XL — индуктивное сопротивление реактора 4; R'в — сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к входу выпрямителя 6.

Из (6.41) и (6.42) имеем

откуда

Рис.   6.41.    Принципиальная схема системы фазового компаундирования

Рис. 6.42. Схема замещения (в) и векторная диаграмма (б) системы фазового  компаундирования

Так как напряжение Uu пропорционально и совпадает по фазе с напряжением генератора U (рис. 6.42, б), а ток Ii — пропорционален и совпадает по фазе с током якоря генератора Iа, то напряжение на входе выпрямителя U'в , а следовательно, и ток возбуждения Iв автоматически изменяются при изменении напряжения генератора U, его тока нагрузки Iа и угла сдвига фаз φ между ними. Путем подбора коэффициентов трансформации трансформаторов 3 и 5 и индуктивности реактора 4 (его часто выполняют с подмагничиванием) можно обеспечить стабилизацию выходного напряжения генератора при изменении в широких пределах тока нагрузки и угла сдвига фаз между током и напряжением. Практически из-за насыщения магнитной системы и других причин система фазового компаундирования поддерживает напряжение U = const с точностью порядка ± 5 %. В некоторых схемах фазового компаундирования трансформаторы 3 и 5 объединяют в общий трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмоткой, подключенной к выпрямителю 6.

Самовозбуждение синхронного генератора в рассматриваемой системе осуществляется за счет потока остаточного магнетизма (см. более подробно § 8.8). Однако вследствие нелинейного сопротивления выпрямителя (оно увеличивается при малых токах) и других причин индуцируемая этим потоком в обмотке якоря ЭДС может оказаться недостаточной для обеспечения процесса самовозбуждения. В этом случае необходимо применять дополнительные меры для самовозбуждения генератора. К числу этих мер относятся: подключение обмотки возбуждения на период пуска генератора к внешнему источнику постоянного тока небольшой мощности, увеличение потока остаточного магнетизма путем установки на полюсах машины магнитных прокладок или применение резонансного контура.

Для получения резонансного контура на вход выпрямителя можно подключить конденсаторы 7 (см. рис. 6.41), емкость которых подбирают так, чтобы при п < пном возникал режим резонанса напряжений. В этом случае напряжение на конденсаторах 7, т. е. на входе выпрямителя, резко возрастает, благодаря чему обеспечивается процесс самовозбуждения. При п = пном условия резонанса нарушаются и конденсаторы не оказывают влияния на работу схемы.

Для генераторов малой и средней мощности система фазового компаундирования обеспечивает достаточную точность стабилизации напряжения. Однако в генераторах значительной мощности применяют обычно дополнительное регулирование посредством корректора напряжения. Один из вариантов системы компаундирования с корректором напряжения представлен на рис. 6.43. В этой системе обмотка возбуждения 2 синхронного генератора получает питание от возбудителя, который имеет две обмотки возбуждения 4 и 5. Обмотка 4 подключена через регулировочный реостат 6 к якорю 3 возбудителя и, кроме того, через выпрямитель 9 ко вторичной обмотке трансформатора 7. Первичная обмотка этого трансформатора включена последовательно с якорем 1 генератора. Поэтому при увеличении тока нагрузки генератора возрастает ток в обмотке 4 возбудителя, а следовательно, и его напряжение и ток возбуждения генератора, т. е. осуществляется компаундирование. Степень компаундирования может изменяться посредством реостата 8.

Дополнительное более точное регулирование осуществляется с помощью корректора напряжения 11, который подает питание на обмотку возбуждения 5. Он подключен посредством трансформатора 10 к обмотке якоря генератора, а посредством реостата 8 ко вторичной обмотке трансформатора 7. В результате корректор реагирует на изменения напряжения и тока нагрузки генератора и изменяет соответствующим образом ток в обмотке возбуждения 5. Корректор напряжения представляет собой регулятор напряжения, выполненный на транзисторах или магнитных усилителях. Точность стабилизации напряжения генератора в такой системе достигает ±2% при изменении в широких пределах его тока нагрузки и cosφ.

Рис. 6.43. Система возбуждения с токовым компаундированием и корректором напряжения

Рис. 6.44. Изменение тока возбуждения и напряжения возбудителя при форсировке возбуждения: А — А — момент срабатывания релейной защиты

Форсировка возбуждения. Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения в сети, к которой подключена машина (это может произойти при удаленных коротких замыканиях), применяют форсировку ее тока возбуждения. Форсировка осуществляется автоматически релейной защитой, которая управляет контактными аппаратами, замыкающими накоротко резисторы или реостаты, включенные в цепь обмотки возбуждения возбудителя генератора (например, реостат 6 на рис. 6.43) или подвозбудителя. Согласно ГОСТу эффективность форсировки возбуждения характеризуется кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя kф.в , под которой понимается отношение наибольшего установившегося напряжения возбудителя Uв mах к номинальному напряжению возбуждения Uв ном (рис 6.44), а также скоростью нарастания напряжения возбудителя duв /dt на участке от точки 1 до точки 2, определяемой по формуле

duв /dt = (1-1/e)	Uвmax - Uвном
	Uвном tв

В крупных синхронных генераторах и компенсаторах должно быть kф.в ≥ 1,8 ÷ 2,0 и duв /dt ≥ (1,5 ÷ 2,0) Uв ном в секунду. В остальных синхронных машинах kф.в ≥ 1,4, a duв /dt ≥ 0,8 Uв ном в секунду.