34.Внезапное короткое замыкание синхронного генератора.

Внезапное короткое замыкание генератора. 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 объектов, получающих питание от генератора, или прекращением работы электроприводов с синхронными двигателями. Поэтому необходимо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно значение аварийных токов, возникающих при коротком замыкании.

Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря iк в одной из фаз генератора, тока возбуждения iв и тока iд в демпферной обмотке показаны на рис. 6.56. Ток якоря iк при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

iк = iк.п + iк.а. (6.53).

Рис. 6.56. Графики изменения токов в обмотках

якоря (а), возбуждения (б) и демпферной (в) при

коротком замыкании.

При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей тока генератора (рис. 6.57), в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:

Iкm = √2Е0 /Xd = Em /Xd . (6.54)

Рис. 6.57. График изменения тока в обмотке якоря при коротком замыкании.

Переходные процессы в синхронном генераторе при внезапном коротком замыкании.

Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествующего короткому замыканию. В соответствии с этим снижаются поток Ф

рез и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды

I‘ уст m = Em /X‘d.(6.55)

где X‘d — продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря; обычно значение его в относительных единицах

X‘d* = 0,2 ÷ 0,5.

Переходная постоянная времени Т’d = 0,4 ÷ 3,0 с, определяющая затухание тока iк.п , зависит не только от параметров обмотки якоря, но и главным образом от параметров обмотки возбуждения. Если машина имеет демпферную обмотку, то в ней также возникает переходный ток, замедляющий уменьшение результирующего потока. При этом амплитуда тока к. з. больше, чем при отсутствии демпферной обмотки

I’ уст m = Ет /Х»d , (6.57)

где X»d — сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси; обычно X»d* = 0,12 ÷ 0,35. Затухание тока якоря определяется сверхпереходной постоянной времени Т»d = 0,03 ÷ 0,15 с, которая зависит в основном от параметров демпферной обмотки. С учетом этого периодическая составляющая тока к. з.

Сверхпереходное и переходное сопротивление синхронного генератора.

Приближенные значения сверхпереходной ЭДС и сверхпереходного сопротивления даны в табл. 2.2.

Тип машины
Синхронный компенсатор	1,2	0,16
Синхронный двигатель	1,1	0,2
Асинхронный двигатель	0,9	0,2
Обобщенная нагрузка	0,85	0,35

Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси (насыщенное значение) не более 04 для турбогенераторов ел — 3000 об / мин и не более 05 для турбогенераторов с л 1500 об / мин.

Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси подобно синхронному индуктивному сопротивлению по этой оси может быть измерено при

ЭДС за переходным индуктивным сопротивлением остается постоянной.

У большинства неявнополюсных машин значения переходных индуктивных сопротивлений по обеим осям ( x d и х) очень близки друг к другу.

Вследствие этого электродвижущая сила синхронного генератора за переходным индуктивным сопротивлением e d, пропорциональная результирующим потокосцеплениям обмотки возбуждения, не может измениться мгновенно и в начальный момент нарушения режима генератора остается неизменной.

Для выполнения этих требований генераторы снабжены мощной демпферной клеткой, переходное индуктивное сопротивление по продольной оси x d находится в пределах ОД. Тем не менее в генераторах наблюдаются высокие провалы напряжения. Это объясняется низким быстродействием регуляторов напряжения на магнитных усилителях и большой постоянной времени обмотки возбуждения возбудителя. Даже применение тиристорных и транзисторных регуляторов не позволяет полностью решить эту проблему, особенно при питании импульсных нагрузок. В результате для питания мощных радиолокационных станций приходится вводить восьмикратный запас по мощности. И в этом случае система гармонического компаундирования позволяет решить эту проблему. Во-первых, мощность гармонической обмотки прямо пропорциональна величине и коэффициенту мощности нагрузки и использует энергию, которая идет в генераторе на потери.

Синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной оси ( xd, xq) переходные индуктивные сопротивления x d, x q, сверхпереходные индуктивные сопротивления x d, x q и соответствующие постоянные времени обмоток могут быть определены в соответствии с рекомендациями МЭК ( первое дополнение к публикации 34 — 4, часть 4) по частотным характеристикам. ГОСТ 10169 — 77 также предполагает определение параметров по частотным характеристикам, полученным из опыта, при котором обмотка якоря при неподвижном роторе подключается к источнику напряжения переменной частоты.

Последствия короткого замыкания.

Последствия коротких замыканий.

При возникновении коротких замыканий в системе электроснабжения ее общее сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима, а это вызывает снижение напряжения отдельных точек системы электроснабжения, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания.

В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или отражаться на всей системе электроснабжения.

При большой удаленности короткого замыкания величина тока короткого замыкания может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов и возникновение такого короткого замыкания воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Сильное снижение напряжения получается только вблизи места короткого замыкания, в то время как в других точках системы электроснабжения это снижение менее заметно. Следовательно, при рассматриваемых условиях опасные последствия короткого замыкания проявляются лишь в ближайших к месту аварии частях системы электроснабжения.

Ток короткого замыкания, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, где произошло короткое замыкание. Поэтому и при кратковременном протекании тока короткого замыкания он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого.

Токи короткого замыкания вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса короткого замыкания, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут иметь место разрушения механического характера.

Внезапное глубокое снижение напряжения при коротком замыкании отражается на работе потребителей. В первую очередь это касается двигателей, так как даже при кратковременном понижении напряжения на 30-40% они могут остановиться (происходит опрокидывание двигателей). Опрокидывание двигателей тяжело отражается на работе промышленного предприятия, так как для восстановления нормального производственного процесса требуется длительное время и неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции предприятия.

Таким образом, последствия коротких замыканий следующие:

Переходные процессы в синхронных машинах. Режим короткого замыкания в синхронных машинах?

⇐ ПредыдущаяСтр 19 из 30Следующая ⇒

Внезапное короткое замыкание генератора.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 объектов, получающих питание от генератора, или прекращением работы электроприводов с синхронными двигателями. Поэтому необходимо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно значение аварийных токов, возникающих при коротком замыкании.

Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря iк в одной из фаз генератора, тока возбуждения iв и тока iд в демпферной обмотке показаны на рис. 6.56. Ток якоря iк при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

Iк = iк.П + iк.А. (6.53).

Рис. 6.56. Графики изменения токов в обмотках

якоря (а), возбуждения (б) и демпферной (в) при

коротком замыкании.

При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей тока генератора (рис. 6.57),в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:

Iкm = √2е0 /Xd = Em /Xd . (6.54)

Рис. 6.57. График изменения тока в обмотке якоря при коротком замыкании.

Переходные процессы в синхронном генераторе при внезапном коротком замыкании.

Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествующего короткому замыканию. В соответствии с этим снижаются поток Ф_рез и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды

I’ уст m = Em /X’d.(6.55)

гдеX’d— продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря; обычно значение его в относительных единицахX’d* = 0,2 ÷ 0,5.

Переходная постоянная времениТ’d = 0,4 ÷ 3,0 с, определяющая затухание тока iк.п , зависит не только от параметров обмотки якоря, но и главным образом от параметров обмотки возбуждения. Если машина имеет демпферную обмотку, то в ней также возникает переходный ток, замедляющий уменьшение результирующего потока. При этом амплитуда тока к. з. больше, чем при отсутствии демпферной обмотки

I’ уст m = Ет /х»d , (6.57)

где X»d — сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси; обычно X»d* = 0,12 ÷ 0,35. Затухание тока якоря определяется сверхпереходной постоянной времени Т»d = 0,03 ÷ 0,15 с, которая зависит в основном от параметров демпферной обмотки. С учетом этого периодическая составляющая тока к. з.

Сверхпереходное и переходное сопротивление синхронного генератора.

Приближенные значения сверхпереходной ЭДС и сверхпереходного сопротивления даны в табл. 2.2.

Тип машины
Синхронный компенсатор	1,2	0,16
Синхронный двигатель	1,1	0,2
Асинхронный двигатель	0,9	0,2
Обобщенная нагрузка	0,85	0,35

Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси (насыщенное значение) не более 04 для турбогенераторов ел — 3000 об / мин и не более 05 для турбогенераторов с л 1500 об / мин.

Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси подобно синхронному индуктивному сопротивлению по этой оси может быть измерено при

ЭДС за переходным индуктивным сопротивлением остается постоянной.

У большинства неявнополюсных машин значения переходных индуктивных сопротивлений по обеим осям ( x d и х) очень близки друг к другу.

Вследствие этого электродвижущая сила синхронного генератора за переходным индуктивным сопротивлением e d, пропорциональная результирующим потокосцеплениям обмотки возбуждения, не может измениться мгновенно и в начальный момент нарушения режима генератора остается неизменной.

Для выполнения этих требований генераторы снабжены мощной демпферной клеткой, переходное индуктивное сопротивление по продольной оси x d находится в пределах ОД. Тем не менее в генераторах наблюдаются высокие провалы напряжения. Это объясняется низким быстродействием регуляторов напряжения на магнитных усилителях и большой постоянной времени обмотки возбуждения возбудителя. Даже применение тиристорных и транзисторных регуляторов не позволяет полностью решить эту проблему, особенно при питании импульсных нагрузок. В результате для питания мощных радиолокационных станций приходится вводить восьмикратный запас по мощности. И в этом случае система гармонического компаундирования позволяет решить эту проблему. Во-первых, мощность гармонической обмотки прямо пропорциональна величине и коэффициенту мощности нагрузки и использует энергию, которая идет в генераторе на потери.

Синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной оси ( xd, xq) переходные индуктивные сопротивления x d, x q, сверхпереходные индуктивные сопротивления x d, x q и соответствующие постоянные времени обмоток могут быть определены в соответствии с рекомендациями МЭК ( первое дополнение к публикации 34 — 4, часть 4) по частотным характеристикам. ГОСТ 10169 — 77 также предполагает определение параметров по частотным характеристикам, полученным из опыта, при котором обмотка якоря при неподвижном роторе подключается к источнику напряжения переменной частоты.

Последствия короткого замыкания.

Последствия коротких замыканий.

При возникновении коротких замыканий в системе электроснабжения ее общее сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима, а это вызывает снижение напряжения отдельных точек системы электроснабжения, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания.

В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или отражаться на всей системе электроснабжения.

При большой удаленности короткого замыкания величина тока короткого замыкания может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов и возникновение такого короткого замыкания воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Сильное снижение напряжения получается только вблизи места короткого замыкания, в то время как в других точках системы электроснабжения это снижение менее заметно. Следовательно, при рассматриваемых условиях опасные последствия короткого замыкания проявляются лишь в ближайших к месту аварии частях системы электроснабжения.

Ток короткого замыкания, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, где произошло короткое замыкание. Поэтому и при кратковременном протекании тока короткого замыкания он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого.

Токи короткого замыкания вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса короткого замыкания, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут иметь место разрушения механического характера.

Внезапное глубокое снижение напряжения при коротком замыкании отражается на работе потребителей. В первую очередь это касается двигателей, так как даже при кратковременном понижении напряжения на 30-40% они могут остановиться (происходит опрокидывание двигателей). Опрокидывание двигателей тяжело отражается на работе промышленного предприятия, так как для восстановления нормального производственного процесса требуется длительное время и неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции предприятия.

34. Синхронные машины. Характеристики синхронных машин.V-образные, характеристики зависимости I=f(I_B), cos φ= f(I_B).

U-образные характеристики

U-образные характеристики — раздел Образование, Устройство и принцип действия синхронной машины Для Анализа Свойств Синхронной Машины, Работающей Параллельно С Сетью, Наряду…

Для анализа свойств синхронной машины, работающей параллельно с сетью, наряду с угловой характеристикой Р1 = f(Θ) важное значение имеют U-образные характеристики, представляющие зависимость тока якоря в функции тока возбуждения I1 =f(If) при постоянных активной мощности, напряжении и частоте сети (Р1= const, Uc= const, fc = const). U-образные характеристики могут быть построены с помощью векторных диаграмм, учитывающих насыщение стали. На рис. 5.41 приведены векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора (τа = 0).

 

В соответствии с условием Р1 =m1U1I1 cosφ = const активная составляющая тока якоря

поэтому концы вектора тока I1 будут лежать на линии I, перпендикулярной вектору напряжения U1, а концы вектора результирующей ЭДС

будут лежать на линии П, параллельной вектору напряжения. Цифрами на этих линиях отмечены расчетные точки U-образной характеристики для мощности Р1, соответствующей току Ia =0,8о.е.

Модуль ЭДС Eμr определяет по характеристике холостого хода суммарную МДС Fμ.

Вектор Fμ опережает ЭДС Eμr на 90°. Вычитая из него вектор МДС реакции поля Fa, находим вектор МДС обмотки возбуждения

и соответствующий ему ток возбуждения

Геометрическим местом концов вектора МДС Ff является линия IV, на которой цифрами указаны расчетные точки, соответствующие заданным токам якоря на линии I.

 

Полученная таким образом зависимость I1=f(If) представлена на рис. 5.42 с отмеченными на ней расчетными точками.

Аналогично производится построение U-образных характеристик для других значений активной мощности. Минимумы U-образных характеристик соответствуют активным составляющим тока якоря, поэтому линия, соединяющая минимумы, представляет собой регулировочную характеристику генератора при cosφ = 1. Точки U-образной характеристики, лежащие правее ее минимума, соответствуют режиму перевозбуждения, а левее — режиму недовозбуждения.

В режиме перевозбуждения ток якоря I1 отстает от напряжения U1, машина отдает в сеть реактивную мощность (Q1 > 0). В режиме недовозбуждения ток I1 опережает вектор напряжения U1, синхронная машина потребляет из сети реактивную мощность (Q1 < 0).



Схемы замещения асинхронной машины

Стр 1 из 7Следующая ⇒

Схемы замещения асинхронной машины

Т — образная схема замещения.

 

Сопротивлением намагничивающей цепи является главное индуктивное сопротивле­ние первичной обмотки, и по этой цепи протекает намагничивающий ток

Напряжение на зажимах 1 и 2 намагничивающей цепи

Схема 1.

Схема замещения не учитывает магнитных потерь в сер­дечниках машины.

Потери в сердечнике статора (первичной цепи) могут быть учтены при аналогично тому, как это было сделано для трансформатора, путем включения на зажимы 1 и 2 схемы рис. параллельно сопротивлению активного сопротивления такой величины, что потери в нем будут равны магнитным поте­рям в сердечнике статора на одну сразу:

откуда

 

Величину можно найти, если из опытных или расчетных данных известны потери в сердечнике статора при опреде­ленном E₁ или определенном магнитном потоке. Обычно

Параллельно включенные сопро­тивления можно объеди­нить в одно общее сопротивление намагничивающей цепи , можно объединить в одно общее сопротивление намагничивающей цепи

или

 

причем . В результате вместо схемы 1 получим схему 2, которая в несколько ином виде представлена па схеме 3.

Схема 2.

 

 

Схема 3.

 

 

При этом

и выделено добавочное сопротивление

соответствующее механической мощности, развиваемой на роторе машины. Схема 3 аналогична схеме замещения трансфор­матора, к вторичным зажимам которой подключено нагрузочное сопротивление

Намагничивающий ток схем 2 и 3 содержит, кроме реактив­ной составляющей , также активную составляющую , соответствующую магнитным потерям в статоре:

Непосредственный учет магнитных потерь в сердечнике ротора (вторичной цепи) в схеме замещения сложен, так как частота перемагничивания этого сердечника при изменении s изменяется, в результате чего указанные потери при не пропорцио­нальны . В нормальных рабочих режимах машины

(0 < s < 0,05) вследствие малой частоты перемагничивания эти потери вообще незначительны и их можно не учитывать. Если же учет этих потерь все же необхо­дим, то следует иметь в виду, что они покрываются за счет механической мощности.

С увеличением номинальной мощности к.п.д. машины увеличивается, а отно­сительные величины потерь уменьшаются, соответственно чему уменьшаются также отно­сительные величины активных сопротивлений.

Из приведенных данных видно, что сопротивление намагни­чивающей цепи схемы замещения асинхронных машин значительно меньше, чем у трансформаторов. Это объясняется наличием в маг­нитной цепи асинхронных машин воздушного зазора между ста­тором и ротором. В связи с этим намагничивающий ток и ток хо­лостого хода асинхронных машин значительно, чем у трансформаторов.

 

Г — образная схема замещения.

 

Составим по правилу контурных токов уравнения напряжений схемы 3.

Для преобразования уравнений перейдем в них от переменной к новой переменной по равенству

где C₁ — некоторое, неопределенное пока комплексное число. Эту операцию можно рассматривать как новое приведение вторичной цепи, причем C₁ является коэффициентом приведения,

откуда

таким образом

Ток I₀₀ представляет собой первичный ток идеального холос­того хода асинхронной машины, когда ее ротор вращается с син­хронной скоростью (s = 0).

Генераторный режим

 

(- <s<0). Для осуществления гене­раторного режима работы асинхронной машины ее нужно включить в сеть переменного тока и вращать с помощью соответствующего приводного двигателя (машина постоянного тока, тепловой или гидравлический двигатель) в сторону вращения магнитного поля со скоростью п превышающей синхронную скорость n₁. Скольже­ние машины при этом отрицательно.

В двигательном режиме

 

Теоретически скорость п в генераторном режиме может изме­няться в пределах , чему соот­ветствует изменение скольжения в пределах . В дей­ствительности высокие скорости вращения недопустимы по усло­виям механической прочности, а по условиям ограничения потерь и нагревания и сохранения высокого к. п. д. в генераторном ре­жиме возможны абсолютные значения скольжения такого же по­рядка, как и в двигательном режиме.

 

 

В генераторном режиме.

 

Рассмотрим активные и реак­тивные относительно э.д.с. составляющие токи .

В двигательном режиме s > 0 и обе составляющие , тока положительны.

На основании изложенного построены векторные диаграммы

 

 

В режиме противовключения.

 

Режим противовключения

 

(1<s< ). В этом режиме ротор приключенный к сети асинхронной машины вращается за счет подво­димой извне к ротору механической энергии против вращения поля, вследствие чего скорость вращения ротора п< 0 и, s>1. На практике в этом режиме обычно 1<s<2.

Поскольку как в двигательном, так и в режиме противовключе­ния s>0, активные и реак­тивные составляющие вторичного тока имеют в режиме противо­включения такие же знаки, как и в двигательном. Это означает, что и в режиме противовключения машина потребляет из сети ак­тивную мощность и развивает положительный вращающий момент, действующий в сторону вращения поля. Но, поскольку ротор вра­щается в обратном направлении, на него этот момент действует тор­мозящим образом.

В режиме противовключения машина потребляет также меха­ническую мощность с вала или с ротора, поскольку внешний вра­щающий момент действует в сторону вращения ротора. Как мощ­ность, потребляемая из сети, так и мощность, потребляемая с вала, расходуются на потери в машине. Полезной мощности машина поэтому не развивает, а в отношении нагрева рассматриваемый режим является тяжелым.

Режим противовключения на практике используется для тормо­жения и остановки асинхронных двигателей и приводимых ими в движение производственных механизмов. Например, в ряде слу­чаев, при необходимости быстрой остановки двигателя, путем пе­реключения двух питающих проводов трехфазного двигателя из­меняют чередование фаз и направление вращения поля, а ротор в течение некоторого времени вращается при этом по инерции в прежнем направлении, т. е. теперь уже против поля. Механиче­ская мощность р_мх в данном случае разви­вается за счет кинетической энергии вращающихся масс вследствие уменьшения скорости вращения. При машину необходимо отключить от сети, так как иначе она придет во вращение в обрат­ном направлении. Таким же образом может осуществляться быст­рый реверс (изменение направления вращения) двигателя, причем в этом случае, естественно, при отключать двигатель от сети не нужно. В начале процесса реверсирования также существует ре­жим противовключения.

Режим противовключения называют также режимом электро­магнитного тормоза. Следует, однако, иметь в виду, что существуют и другие способы электромагнитного торможения асинхронной ма­шины.

 

Режим короткого замыкания.

 

Режимом короткого замыкания асинхронной машины называется ее режим при s=1, т. е. при не­подвижном роторе. Этот режим соответствует начальному моменту пуска асинхронного двигателя из неподвижного состояния. Сопро­тивление асинхронной машины относительно ее первичных зажи­мов при s=1 называется сопротивлением короткого замыкания Z_k

или, так как , приближенно

ЭЛЕКТРОМАГИНТЫЙ МОМЕНТ

Полезный вращающий момент

 

Полезный вращающий момент на валу двигателя М₂ меньше электромагнитного момента М на величину

которая соответствует механическим и добавочным потерям, покры­ваемым за счет механической мощности Р_мх на роторе. Поэтому

Механическая характеристика двигателя представляет собой зависимость скорости вращения п от развиваемого момента на валу М₂ при U₁ = const и f₁ = const:

n=f(M,)

или, наоборот,

M₂ =f(n).

Так как при нагрузке момент М₀ мал по сравнению с М н М₂, то можно положить или включить M₀ в величину статиче­ского тормозящего момента М_ст, который развивается рабочей машиной или механизмом, приводимым во вращение асинхронным двигателем.

Очевидно, что вид механических, характеристик существенно зависит от величины вторичного активного сопротивления.

установившийся режим работы

асинхронного двигателя.

Рассмотрим процесс пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутой вторичной обмоткой при его включении на полное напряжение сети. Так производится пуск подавляющего большин­ства находящихся в эксплуатации асинхронных двигателей. При рассмотрении процесса пуска не будем принимать во внимание электромагнитные переходные процессы, связанные с тем, что при включении любой электрической цепи электромагнитного ме­ханизма под напряжение и при изменении режима его работы токи достигают практически установившихся значений не сразу, а после истечения некоторого времени, величина которого пропорциональна электромагнитной постоянной времени Т, зависящей от индуктив­ности и активного сопротивления цепи. Обычно при пуске асин­хронного двигателя время его разбега до нормальной скорости значительно больше длительности электромагнитных переходных процессов, и поэтому влияние этих процессов на процесс пуска невелико. Следовательно, процесс пуска можно рассматривать на основе полученных выше зависимостей для вращающего момента и токов в условиях работы двигателя при установившемся режиме с заданным скольжением.

На рис. показана механическая характеристика M=f(n} асинхронного двигателя и механическая характеристика М_ст=f(n) некоторого производственного механизма, приводимого во враще­ние двигателем.

 

Рис 1. Соотношения между моментами при

пуске и работе асинхронного

двигателя

Рис 2. Устойчивые (точки 1,3) и неустойчивые

(точка 2) режимы работы асинхронного

двигателя.

 

Уравнение моментов агрегата «двигатель — производственный механизм» имеет вид

где

представляет собой динамический вращающий момент агрегата, пропорциональный моменту его инерции J. Если при п = 0, пусковой момент , то и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока (заштрихованная область)

В точке 1 на 1рисункен достигается равновесие моментов.

При этом и наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения п’ и сколь­жением s’. Величина s’ будет тем больше, чем больше М₁„ и чем больше, следовательно, нагрузка двигателя. Если при работе дви­гателя его нагрузку (статический момент производственного меха­низма М_ст„) увеличить (кривая 2 на рис 1), то s возрастет, а п уменьшится. При уменьшении нагрузки (кривая 3 на рис. 1), наоборот, s уменьшится, а п увеличится.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим обра­зом. Если М_ст возрастет, то будет М < М_ст, и движение ротора двигателя станет замедляться. При этом сколь­жение возрастает, в соответствии с чем увеличиваются также э.д.с. E_2s и ток Iа вторичной цепи. В результате электромагнитный момент М увеличивается и уменьшение п (увеличение s) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов М = М_ст. При уменьшении нагрузки процесс протекает в обратном напра­влении.

Как видно из рис.1, при круто поднимающейся начальной (левой) части кривой момента М = f (s) асинхронный двигатель обладает жесткой механической характеристикой, т. е. при изме­нении нагрузки скорость вращения двигателя изменяется мало. Все нормальные асинхронные двигатели строятся с жесткой механической характеристикой, когда

относительно малы.

КРУГОВАЯ ДИАГРАММА

 

При изменении нагрузки асин­хронной машины ее первичный I₁ и вторичный токи изменяются по величине и по фазе. При U₁ = const и f =const режим работы и величина нагрузки асинхронной машины однозначно опреде­ляются величиной ее скольжения s. При изменении скольжения в пределах от + до — конец вектора тока описывает непре­рывную замкнутую кривую, которая называется геометрическим местом этого тока. При постоянных параметрах

геометрическим ме­стом концов векторов тока является окружность, которая вместе с некоторыми другими построениями называется круговой диаграммой асинхронной машины.

Круговая диаграмма позволяет определить все электромагнит­ные величины, характеризующие режим работы машины при любом значении скольжения, и дает наглядное представление об измене­нии этих величин при изменении режима работы машины. Поэтому она имеет большое методическое значение. Кроме того, она имеет также существенное практическое значение для изучения режимов работы асинхронных машин в случаях, когда их параметры можно принять постоянными.

Прямая сопротивлений вторичной цепи.

 

Круговую диаграмму асинхронной машины удобно рассматривать на основе Г-образной схемы замещения

Исследуем сначала геометрическое место вторичного тока

где

где

Изобразим по уравнению на комплексной плоскости (левая сторона рис.) комплекс сопротивления = f (s).

 

ПРЯМОЙ ПУСК

При рассмотре­нии возможных способов пуска в ход асинхронных двигателей необходимо учитывать следующие основные положения: 1) двига­тель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой

момент, который должен быть больше статического момента сопро­тивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения; 2) величина пускового тока должна быть ограничена таким значением, чтобы не происхо­дило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой, а количество и. стоимость пусковых устройств—малыми.

При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда махо­вые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Подробно динамика дви­жения электропривода и энергетические соотношения при пуске рассматриваются в курсах электропривода. Число пусков асин­хронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы. Двигатели мощ­ностью 3—10 кет в обычных условиях допускают до 5—10 вклю­чений в час.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проще по устройству и обслуживанию, а также дешевле и надежнее в ра­боте, чем двигатели с фазным ротором.

Поэтому всюду, где это возможно, применяются двигатели с короткозамкнутым ротором и подавляющее большинство на­ходящихся в эксплуатации асинхронных двигателей являются двигателями с короткозамкнутым ротором.

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозам­кнутым ротором является включение обмотки его статора непо­средственно в есть, па номинальное напряжение обмотки статора. Такой пуск называется прямым.

При этом пусковой ток двигателя I_п=(4—7,0)I_н.

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым рото­ром проектируются с таким расчетом, чтобы они по величине возни­кающих при пуске электродинамических усилий, действующих на обмотки, и по условиям нагрева обмоток допускали прямой пуск. Поэтому прямой пуск всегда возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи двигателей не вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не более 10—15%). Современные энергетические системы, сети и сетевые трансформаторные под­станции обычно имеют такие мощности, что в подавляющем большинстве случаев возможен прямой пуск асинхронных дви­гателей.

Нормальным способом пуска двигателей с короткозамкнутым ротором поэтому является прямой пуск.

Нередко таким образом осуществляется пуск двигателей мощ­ностью в тысячи киловатт.

Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск двигателя с короткозамкнутым ротором невозможен, применя­ются различные способы пуска двигателя при пониженном напря­жении. Однако при этом пропорционально квадрату напряжения на зажимах обмотки статора или квадрату пускового тока двигателя понижается также пусковой момент, что является недостатком пуска при пониженном напряжении.

Поэтому эти способы пуска применимы, когда возможен пуск двигателя на холостом ходу или под неполной нагрузкой. Необ­ходимость пуска при пониженном напряжении встречается чаще всего у мощных высоковольтных двигателей.

Реакторный пуск

 

Реакторный пуск осуществляется согласно схеме. Сначала включается выключатель В1, и двигатель получает питание через трехфазный реактор (реактивную или индуктивную катушку) Р,

сопротивление которого Х_р ограничивает величину пускового тока. По достижении нормальной скорости вращения включается выключатель В2, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается нормальное напряжение сети.

Пусковые реакторы строятся обычно с ферромагнитным сердеч­ником и рассчитываются по нагреву только на крат­ковременную работу, что позволяет снизить их вес и стоимость. Для весьма мощных двигателей применяются также реакторы без ферромагнитного сердечника, с обмотками, укрепленными на бетонном каркасе. Выключатель В1 выбирается на такую от­ключающую мощность, которая позволяет отключить двигатель при глухом коротком замыкании за выключателем, а выключатель В2 может иметь низкую отключающую мощность.

Если составляющие сопротивления короткого замыкания дви­гателя равны и то начальный пусковой ток при прямом пуске

а при реакторном пуске, при пренебрежении активным сопротив­лением реактора,

Следовательно, при реакторном пуске начальный пусковой ток уменьшается в

раз. Во столько же раз уменьшается также напряжение на зажимах двигателя в начальный момент пуска. Начальный пусковой момент при реакторном пуске M_п.р уменьшается по сравнению с моментом при прямом пуске М_п.п в

раз.

В приведенных соотношениях не учи­тывается изменение величины x_k при изме­нении величины пускового тока. При необ­ходимости нетрудно учесть это изменение.

 

АвтотрансформаторныЙ пуск

 

Автотрансформаторный пуск осущест­вляется по схеме (рис 1.) в следующем порядке. Сначала включаются выключатели В1 и В2, и на двигатель через автотранс­форматор AT подается пониженное напря­жение. После достижения двигателем опре­деленной скорости выключатель В2 отклю­чается, и двигатель получает питание через часть обмотки авто­трансформатора AT, который в этом случае работает как реактор. Наконец включается выключатель В3, в результате чего двигатель получает полное напряжение.

Выключатель В1 должен быть выбран на отключающую мощ­ность при коротком замыкании, а выключатели В2 и ВЗ могут иметь меньшие отключающие мощности. Пусковые автотрансфор­маторы рассчитываются на кратковременную работу. Согласно ГОСТ 3211—46, пусковые автотрансформаторы должны иметь от­ветвления, соответствующие величинам вторичного напряжения, равным 73, 64 и 55% от первичного при прямой схеме включения и 45, 36 и 27% при

Рис 1.

Рис 2.

обратной схеме включения (рис. 2). В каждом конкретном случае выбирается подходящая ступень напряжения.

Если пусковой автотрансформатор понижает пусковое напряже­ние двигателя в k_ат раз, то пусковой ток в двигателе или на стороне НН

автотрансформатора I_п.д уменьшается также в k_ат раз, а пуско­вой ток на стороне ВН автотрансформатора или в сети I_п.с умень­шается в раз. Пусковой момент M_п, пропорциональный квадрату напряжения на зажимах двигателя, уменьшается также в раз.

Таким образом, при автотрансформаторном пуске М_п и I_п.с уменьшаются в одинаковое число раз. В то же время при реактор­ном пуске пусковой ток двигателей I_п.д является также пусковым током в сети I_п.с и пусковой момент М_п уменьшается быстрее пуско­вого тока (в квадратичном отношении). Поэтому при одинаковых величинах I_п.с при автотрансформаторном пуске пусковой момент будет больше. Однако это преимущество автотрансформаторного пуска достигается ценой значительного усложнения и удорожания пусковой аппаратуры. Поэтому автотрансформаторный пуск при­меняется реже реакторного, при более тяжелых условиях, когда реакторный пуск не обеспечивает необходимого пускового мо­мента.

 

Схемы замещения асинхронной машины

Т — образная схема замещения.

 

Сопротивлением намагничивающей цепи является главное индуктивное сопротивле­ние первичной обмотки, и по этой цепи протекает намагничивающий ток

Напряжение на зажимах 1 и 2 намагничивающей цепи

Схема 1.

Схема замещения не учитывает магнитных потерь в сер­дечниках машины.

Потери в сердечнике статора (первичной цепи) могут быть учтены при аналогично тому, как это было сделано для трансформатора, путем включения на зажимы 1 и 2 схемы рис. параллельно сопротивлению активного сопротивления такой величины, что потери в нем будут равны магнитным поте­рям в сердечнике статора на одну сразу:

откуда

 

Величину можно найти, если из опытных или расчетных данных известны потери в сердечнике статора при опреде­ленном E₁ или определенном магнитном потоке. Обычно

Параллельно включенные сопро­тивления можно объеди­нить в одно общее сопротивление намагничивающей цепи , можно объединить в одно общее сопротивление намагничивающей цепи

или

 

причем . В результате вместо схемы 1 получим схему 2, которая в несколько ином виде представлена па схеме 3.

Схема 2.

 

 

Схема 3.

 

 

При этом

и выделено добавочное сопротивление

соответствующее механической мощности, развиваемой на роторе машины. Схема 3 аналогична схеме замещения трансфор­матора, к вторичным зажимам которой подключено нагрузочное сопротивление

Намагничивающий ток схем 2 и 3 содержит, кроме реактив­ной составляющей , также активную составляющую , соответствующую магнитным потерям в статоре:

Непосредственный учет магнитных потерь в сердечнике ротора (вторичной цепи) в схеме замещения сложен, так как частота перемагничивания этого сердечника при изменении s изменяется, в результате чего указанные потери при не пропорцио­нальны . В нормальных рабочих режимах машины

(0 < s < 0,05) вследствие малой частоты перемагничивания эти потери вообще незначительны и их можно не учитывать. Если же учет этих потерь все же необхо­дим, то следует иметь в виду, что они покрываются за счет механической мощности.

С увеличением номинальной мощности к.п.д. машины увеличивается, а отно­сительные величины потерь уменьшаются, соответственно чему уменьшаются также отно­сительные величины активных сопротивлений.

Из приведенных данных видно, что сопротивление намагни­чивающей цепи схемы замещения асинхронных машин значительно меньше, чем у трансформаторов. Это объясняется наличием в маг­нитной цепи асинхронных машин воздушного зазора между ста­тором и ротором. В связи с этим намагничивающий ток и ток хо­лостого хода асинхронных машин значительно, чем у трансформаторов.

 

Г — образная схема замещения.

 

Составим по правилу контурных токов уравнения напряжений схемы 3.

Для преобразования уравнений перейдем в них от переменной к новой переменной по равенству

где C₁ — некоторое, неопределенное пока комплексное число. Эту операцию можно рассматривать как новое приведение вторичной цепи, причем C₁ является коэффициентом приведения,

откуда

таким образом

Ток I₀₀ представляет собой первичный ток идеального холос­того хода асинхронной машины, когда ее ротор вращается с син­хронной скоростью (s = 0).

Рекомендуемые страницы:

Трансформаторный режим асинхронной машины | Электрические машины

Страница 21 из 51

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В трансформаторном режиме асинхронная машина работает при неподвижном роторе (). Этот режим используется в асинхронных двигателях с фазным ротором для получения либо регулируемого напряжения, либо регулируемого индуктивного сопротивления.
Ротор такого двигателя может с помощью специального поворотного устройства занимать любое положение относительно статора. Обмотки статора и ротора соединяются либо по трансформаторной (рис. 4.50), либо по автотрансформаторной (рис. 4.51) схеме.
Асинхронная машина с трансформаторной схемой соединения обмоток называется фазорегулятором, а с автотрансформаторной — индукционным регулятором. В обеих схемах при включении обмотки статора в сеть возникает вращающийся магнитный поток, который наводит в обмотке ротора ЭДС . Величина этой ЭДС определяется коэффициентом трансформации ;
,
а ее фаза относительно напряжения  задается положением магнитной оси обмотки ротора относительно статора . В фазорегуляторе выходное напряжение  можно принять равным ЭДС обмотки ротора,
.
Поэтому при повороте ротора фазорегулятора будет меняться фаза выходного напряжения, а величина напряжения будет оставаться постоянной (рис. 4.50, б).
В индукционном регуляторе выходное напряжение  определяется суммой напряжения сети  и ЭДС ротора  (рис. 4.51, б),
.
Поэтому при повороте ротора величина напряжения  будет меняться, достигая максимального значения , когда оси обмоток совпадают, и минимального значения , когда оси обмоток находятся в противофазе. Диапазон регулирования напряжения  зависит от коэффициента трансформации . При  напряжение индукционного регулятора  меняется от 0 до , что соответствует максимальному диапазону регулирования.
Одновременно с изменением напряжения индукционного регулятора меняется в небольшом диапазоне и его фаза. Если по каким-либо причинам изменение фазы нежелательно, то применяют сдвоенный индукционный регулятор, у которого магнитные поля вращаются в противоположных направлениях.
Принципиальная схема сдвоенного индукционного регулятора представлена на рис. 4.52.

 

 

Обмотки статоров двух регуляторов включаются параллельно, а роторов — последовательно с учетом разного чередования фаз. При повороте ротора ЭДС его обмоток  и  сдвигаются на угол  в противоположных направлениях, поэтому фаза выходного напряжения

остается неизменной.
Трехфазная асинхронная машина может быть использована также в качестве регулируемого индуктивного сопротивления. Если обмотки ротора и статора включить по схеме рис. 4.53, то индуктивное сопротивление фазы будет зависеть от положения ротора:
,
где  — полное индуктивное сопротивление обмотки статора;  — полное индуктивное сопротивление обмотки ротора;  — сопротивление взаимоиндукции обмоток статора и ротора.