Асинхронний режим збудженої синхронної машини
У практиці експлуатації синхронних машин бувають випадки, коли окремі машини випадають із синхронізму та їх ротори починають обертатися щодо поля якоря (статора) асинхронно, з деяким ковзанням s. Це трапляється внаслідок перевантаження машин, значного падіння напруги в мережі та втрати збудження внаслідок будь-яких несправностей у системі збудження або помилкового спрацьовування автомата гасіння поля. Хоча незбуджена явно-полюсна машина може розвивати в синхронному режимі певну потужність за рахунок реактивного моменту, зазвичай ця потужність є недостатньою для покриття навантаження, і тому явно-полюсні машини при втраті збудження найчастіше також випадають із синхронізму.
При випаданні з синхронізму синхронна машина веде себе подібно до асинхронної, але через відмінності конструкції ротора і наявності в загальному випадку струму збудження асинхронний режим синхронної машини має ряд особливостей.
Так як випадання синхронних машин із синхронізму при аваріях в енергосистемах відбувається нерідко, виявлення особливостей асинхронного режиму і з'ясування раціональних способів відновлення нормальних режимів роботи мають істотне практичне значення.
Широко застосовується асинхронний пуск синхронних двигунів і компенсаторів, коли незбуджена машина приєднується до мережі та її швидкість досягає майже синхронної швидкості подібно до асинхронного двигуна.
Асинхронні режими роботи збудженої та збудженої синхронної машини істотно відрізняються один від одного. Асинхронний режим збудженої синхронної машини є складнішим, і його можна розглядати як накладання асинхронного режиму незбудженої асинхронної машини і режиму короткого замикання синхронного генератора, що встановився.
Розглянемо в першу чергу асинхронний режим роботи незбудженої синхронної машини.
Схеми заміщення та їх параметри.
Якби ротор синхронної машини мав магнітну та електричну симетрію, то робота цієї машини в асинхронному режимі без збудження нічим не відрізнялася б від роботи нормальної асинхронної машини. Однак у випадку такої симетрії немає, і тому потрібен самостійний розгляд питання.
Нехай обмотка статора (якоря) трифазної синхронної машини включена до мережі. Струми якоря при цьому створюють поле, що обертається, що переміщається щодо несиметричного ротора зі швидкістю ковзання. Для аналізу явищ при несиметричному роторі розкладемо поле, що обертається щодо нього, на два пульсуючі поля, одне з яких діє по поздовжній(d),а інше — по поперечній(q>осі ротора. Ці поля пульсують зі зсувом по фазі на 90 °. Крім того, як і в асинхронної машини, робочий процес синхронної машини в асинхронному режимі можна привести до еквівалентного процесу при нерухомому роторі. трифазної обмотки є еквівалентна двофазна обмотка, причому одна фаза цієї обмотки створює магнітний потік, що пульсує по поздовжній осі, а інша фаза - потік, що пульсує по поперечній осі ротора
Мал.1
причому напруги цих фазUіjUзсунуті фазою на 90°. У подібній двофазній системі взаємна індукція між фазами відсутня і явища по осях d іqможна розглядати незалежно один від одного. В результаті замість однієї схеми заміщення для симетричної асинхронної машини для синхронної машини отримуємо дві схеми заміщення -одну для поздовжньої та іншу для поперечної осі.
За наявності заспокійливої або пускової обмотки (рис. 2, а і б) у схемі для поздовжньої осі є два вторинні ланцюги, як і у двоклітинного асинхронного двигуна, а у схемі для поперечної осі –
один вторинний ланцюг. За відсутності зазначених обмоток (рис. 2, і г) кількість вторинних ланцюгів зменшується на одиницю. На схемах рис. 2 прийнято rа=0 і не враховуються втрати сталі статора. За наявності в ланцюзі збудження додаткового опору (наприклад, опору гасіння поля) його величина повинна включатися доrf
В основі розгляду явищ згідно з рис. 1 і 2 лежить уявлення про двофазну машину. Тому опору схем рис. 2 також слід вважати еквівалентними опорами двофазної машини. Однак, щоб уникнути введення на розгляд
нових параметрів, припускатимемо, що опори, що фігурують у схемах рис. 2, являють собою параметри m-фазної машини.
Асинхронні режими різних видів синхронних машин.
При втраті збудження синхронні генератори переходять в асинхронний режим і їх швидкість обертання буде збільшуватися до тих пір, поки не настане рівність між рушієм на валу і електромагнітним моментом машини. При цьому машина споживатиме з мережі струм, що намагнічує.
та віддавати в мережу активну потужність.
При малих ковзаннях поверхневий ефект у тілі ротора турбогенератора проявляється слабо і тому глибина проникнення струмів велика. В результаті активний опір тіла ротора мало і момент досягає великої величини вже при малих ковзаннях.
Тому турбогенератори здатні розвивати васинхронному режимі велику потужність, причому втрати в роторі малі і не становлять небезпеки щодо нагріву ротора. Допустиму потужність турбогенератора в асинхронному режимі обмежує струм статора, величина якого через великий струм, що намагнічує, досягає номінального значення. У більшості випадків приI = Iну турбогенераторахР = (0,5 - 0,7) Pн,.
Зважаючи на сприятливі характеристикиMa = f(s)на електростанціях дозволяється короткочасна робота (до 30хв)турбогенераторів в асинхронному режимі за умови, що втрати в роторі і статорі не перевищують втрат при номінальному режимі та споживання реактивної потужності з погляду режиму роботи енергосистеми допустимо. Протягом зазначеного часу можна усунути несправності в системі збудження, перевести турбогенератор на резервне збудження або перевести навантаження інші турбогенератори або станції. Використання можливості роботи турбогенераторів в режимі асинхронного дозволяє збільшити надійність енергопостачання споживачів.
Асинхронні характеристики гідрогенераторів значно менш сприятливі. Гідрогенератори мають шихтоване полюси, і заспокійливі обмотки в багатьох випадках у них відсутні. За відсутності заспокійливої обмотки потужність в асинхронному режимі розвивається лише рахунок струмів, индуктируемых в обмотці збудження. Активний опір заспокійливої обмотки велике, і в цьому випадку моментMaпри малих s також малий. Тому гідрогенератори не можуть розвивати значної потужності в асинхронному режимі, заспокійлива обмотка швидко нагрівається, і якщо відновлення збудження протягом 10-15 сек неможливе, то їх потрібно відключати від мережі.
Усі синхронні двигуни мають пускові обмотки тазазвичай пускаються в хід як асинхронні двигуни, причому обмотка збудження замкнута через розрядне, або гасить, опір rг = (5 - 10) rfабо замкнута накоротко. Пуск із розімкнутою обмоткою збудження неприпустимий, оскільки при цьому може статися пошкодження її ізоляції. Ковзання незбудженого двигуна змінюється при пуску від s = 1 до s = 0,05, коли вмикається струм збудження і двигун втягується в синхронізм.
Криві М, =f(s) синхронних двигунів представлені на рис. . Навпаки, момент, що розвивається пусковою обмоткою, досягає максимуму приs =0,3 - 0,4, тому що активний опір цієї обмотки значно більший і розсіювання менше. При розрахунку кривих прийнято, що опір обмотки якоря ra = 0. Тому цих кривих не відбито виникнення провалу моменту при s = 0,5 внаслідок одноосного ефекту. Слід, проте, відзначити, що з наявності пускової обмотки на роторі цей ефект проявляється слабко.
Початковий пусковий момент (s = 1) синхронних двигунів приU=Uнмає бути досить великий. З іншого боку, при малих s
моментМатакож має бути досить великий, тому що в іншому випадку при пуску під навантаженням двигун в асинхронному режимі не зможе досягти швидкості обертання, досить близької до синхронної, і двигун після включення струму збудження не втягнеться в синхронізм.
Крутість характеристикиМа = f(s) при малихsприйнято визначати значеннямМаприs= 0,05, і цю величину моменту умовно називають вхідним моментомМвх. Очевидно,що більшеМвх,тим краще умови втягування в синхронізм. Зазвичай потрібно, щобМвх = МпПроте збільшенняМанеобхідно збільшити активний опір пусковий обмотки, а збільшення — зменшити його. Тому питання про вибір величинМвхіМптреба вирішувати компромісним чином і використовувати явище витіснення струму
пусковий обмотці збільшенняМп. Стрижні пускової обмотки з метою збільшення їх перерізу та теплоємності виготовляються з латуні.
Як видно з рис., При пуску без розрядного опору Мвх виходить менше і, крім того, при малих s може утворитися провал моменту, так як максимум моменту від дії обмотки збудження настає при малому s. Тому при rг = 0 втягування в синхронізм відбувається у менш сприятливих умовах.
Якщо синхронна машина позбавлена заспокійливої або пускової обмотки і має немасивні полюси або ротор, то в результаті сильного прояву одновісного ефекту асинхронний пуск її можливий тільки на холостому ході або при малому навантаженні на валу, причому обмотка збудження повинна бути замкнута через значний активний опір.
Синхронні двигуни з масивними роторами або полюсами мають сприятливу характеристикуМа=f(s), якщо відношення При малому великий вплив на величину струму в полюсних наконечниках починає чинити опір торцевих зон полюсного наконечника, і асинхронний момент томуМазменшується.