Угол нагрузки синхронного генератора

Регулирование активной мощности.

Рассмотрим особенности работы синхронного генератора параллельно с сетью очень большой мощности (Uc = const,/с = const).

Активная мощность синхронного генератора определяется известным соотношением

Электромагнитная мощность Рш больше полезной активной мощности Р на относительно малую мощность электрических потерь в обмотке статора.

Пренебрегая этими потерями, получим

Преобразуем формулу (4.6.2), выразив мощность Р через угол рассогласования 0. Для этого обратимся к векторной диаграмме синхронного генератора, работающего с активно-индуктивной нагрузкой (рис. 4.6.1).

Обозначим точками а и b концы векторов, а точкой с пересечение перпендикуляра, опущенного из точки а на вектор ?. Угол Ьас равен углу i, а

Рис. 4.6.1. Векторная диаграмма синхронного генератора при активно-индуктивной нагрузке

Электромагнитный момент, создаваемый синхронной машиной где Q, = 2ли|/60 — угловая скорость магнитного поля статора,

Поскольку Q, = const, то М

Р. Зависимости (4.6.3) или (4.6.4) представляют собой аналитическое выражение угловой характеристики синхронной машины (рис. 4.6.2).

Рис. 4.6.2. Угловые характеристики синхронного генератора

Активная мощность и электромагнитный момент синхронной машины пропорциональны ЭДС и синусу угла рассогласования 0, так как остальные параметры, входящие в формулы (4.6.3) и (4.6.4) — напряжение сети, угловая скорость, синхронное сопротивление, — практически постоянны.

Амплитуду электромагнитного момента Ммакс можно регулировать, так как она пропорциональна ЭДС Е, зависящей от тока ротора (см. рис. 4.4.1).

Покажем на угловой характеристике синхронного генератора значение вращающего момента Мвр приводного двигателя (турбины) в виде горизонтальной прямой линии (момент турбины не зависит от угла 0). В точке пересечения этой прямой с угловой характеристикой (при угле рассогласования 0,) вращающий момент турбины равен электромагнитному моменту сопротивления генератора Мвр = М; механическая мощность турбины равна электромагнитной (активной) мощности генератора (см. формулу (4.6.2)). Следовательно, чем больше момент турбины, тем больше активная мощность генератора. При том же вращающем моменте турбины, но меньшем токе ротора угол рассогласования будет больше (0., > 0,). При заданных Е и U мощность синхронного генератора будет максимальна при 0 = 90°.

Таким образом, активная мощность генератора на электростанции регулируется моментом турбины или другого первичного двигателя и не зависит от сопротивления электрических приемников в сети. Диспетчер электростанции имеет суточно-почасовой (с учетом времени года) график нагрузки всех потребителей, где указана требуемая активная и реактивная мощность. По указанию диспетчера синхронные генераторы включаются, нагружаются (или разгружаются и отключаются) так, чтобы в любой момент обеспечивалась требуемая мощность электроэнергии.

Принципиальной особенностью синхронного генератора, подключенного к сети постоянного напряжения и постоянной частоты, является способность автоматически (без участия операторов) поддерживать постоянной частоту вращения своего ротора. Мощность, отдаваемая генератором в сеть, будет определяться механическим моментом, развиваемым турбиной, вращающей ротор. В случае изменения этого механического момента, приводящего во вращение ротор, генератор без участия каких-либо внешних сил автоматически изменяет свой собственный электромагнитный момент, который противодействует вращению генератора. Сумма этих двух моментов становится равной нулю, и генератор продолжает вращаться с постоянной, синхронной скоростью. Состояние генератора с новым соотношением вращающего (от турбины) и тормозящего (внутреннего электромагнитного) моментов характеризуется так называемым углом нагрузки Θ (рис. 7.15).

Эта зависимость носит название угловой характеристики и представляет собой функцию тормозящего электромагнитного момента Мэм генератора (или электромагнитной мощности Pэм = МэмΩ1 где Ω1 — угловая скорость ротора) от внутреннего угла нагрузки Θ. Для турбогенераторов угловая характеристика очень близка к синусоиде. Рабочая точка, при которой функционирует генератор, обозначена индексом номинального режима Θ ном и Pэм.ном причем Θ ном выбирается таким, чтобы отношение максимума синусоиды Pэм.max к Pэм.ном было в пределах 1,5—1,8. Сама мощность Pэм.max и соответствующий ей максимальный момент Mэм.max — это максимально возможная мощность и максимально возможный тормозящий электромагнитный момент, развиваемые данным синхронным генератором.

Читайте также:  Требование заключить договор на обслуживание газового оборудования

В области углов Θ от 0 до 90 ° синхронный генератор способен самостоятельно поддерживать синхронное вращение. За пределами угла 90 ° он теряет эту способность и выпадает из синхронизма. Способность са­мосинхронизировать свое вращение характеризуется удельной синхронизирующей способностью Рс, которая дана на рис. 7.15 штриховой линией.

Важной для оценки статической устойчивости работы синхронных генераторов параллельно сети постоянной частоты f1 и напряжения U1, является семейство так называемых V-образных характеристик (иногда называемых U-образными характеристиками). Построенные для трех мощностей Р1 генератора, выраженных в относительной форме, они пока­заны на рис. 7.16 и представляют собой зависимость тока обмотки ста­тора I1 от тока возбуждения обмотки ротора If, I1=f(If).

Минимумы токов 11 семейства V-образных характеристик лежат на кри­вой CD и представляют собой регулировочную характеристику рис. 7.16 при cos ф = 1.

В точках V-образных характери­стик, лежащих слева от кривой CD, генератор недовозбужден и потребляет реактивную энергию из сети. В точках, лежащих справа от кривой CD, генератор перевозбужден и генерирует в сеть реактивную энергию. Кривая АВ является границей статической устойчивости, когда генератор «теряет» спо­собность самостоятельно поддерживать синхронное вращение и выпадает из синх­ронизма. Следовательно, зона левее кривой АВ является неразрешенной для работы.

Аналогичное семейство V-образных кривых имеет место и для работы синхронной машины в режиме двигателя.

Синхронные двигатели

В § 7.1 отмечалось, что все традиционные виды электрических машин обладают свойством обратимости. Это означает, что любой электрический генератор без каких-либо переделок или изменений может работать как двигатель. Т.е. преобразовывать электрическую энергию в механическую, а любой электрический двигатель может выполнять функцию генерирова­ния электрической энергии при подаче на его вал механической энергии.

Этот принцип основан на явлении индуктирования ЭДС в обмотках статоров машин переменного тока [в данном случае синхронных машин (СМ)] вне зависимости от режима, в котором они функционируют. При работе параллельно с сетью ток обмотки статора СМ определяется взаи­модействием ЭДС обмотки статора и напряжения сети, к которой присо­единена обмотка статора. Немного упрощая картину взаимодействия ЭДС машины и напряжения сети, можно утверждать, что поток активной мощности в генераторном режиме СМ идет от машины к сети, когда ЭДС больше напряжения. В двигательном режиме – наоборот, напряжение сети «перевешивает» ЭДС машины, определяя поток активной мощности от сети к машине.

Главной характеристикой синхронных двигателей (СД) является угло­вая характеристика, в точности повторяющая такую же характеристику синхронных генераторов (см. рис. 7.13). Отличие СД от синхронного генератора (СГ) состоит только в том, что электромагнитный момент Мэм, который был тормозящим у генератора, теперь является движущим, опре­деляющим направление вращения ротора. Функцию тормозящего момента выполняет механическая нагрузка установки. Т.е. необходимая механическая работа (подъем груза, прокат металла, вентиляция, привод

насосов, компрессоров и т.п.). Частота вращения ротора СД, как у генера­торов, работающих параллельно с сетью, определяется частотой напря­жения сети.

Мощность СД редко превышает 20—30 МВт (машины типа ТДС), однако СМ для гидроаккумулирующих станций (ГАЭС), используемые как в режиме обычных генераторов, так и насосов, т.е. в двигательном режиме, достигают существенно больших по мощности уровней (десят­ков и даже сотен мегаватт).

Часто работу генератора удобно анализировать, если его активная и реактивная мощности выражены не через угол между векторами тока и напряжения φ, а через угол δ – угол между вращаемым ротором и вращающимся магнитным полем статора. На векторной диаграмме генератора это будет угол между векторами фазной ЭДС возбуждения и соответствующим фазным напряжением.

Читайте также:  Ремонт утюжков для выпрямления волос

Интересующие нас зависимости Р и Q от δ получим на основе простейшей схемы замещения неявнополюсного турбогенератора, работающего на сеть (Рис.5.6а) и его векторной диаграммы (Рис.5.6б), построенной для одной фазы .При этом генератор будем представлять только его фазной ЭДС возбуждения Ef и индуктивным синхронным сопротивлением по продольной оси Xd, которым генератор характеризуется в установившихся режимах работы. В силу высокого КПД генератора активным сопротивлением статора в нашем случае пренебрежем.

Рис. 5.6.Схема замещения и векторная диаграмма турбогенератора, работающего на сеть.

Диаграмма на Рис.5.6б построена в предположении, что в обмотке статора протекает ток I и вызывает в обмотке статора падение напряжения Ixd, а на зажимах генератора присутствует напряжение U.

Для активной мощности РФ одной фазы можно записать:

. (5.12)

Для реактивной мощности QФ одной фазы:

. (5.13)

Для получения полной активной и реактивной мощностей генератора выражения (5.12) и (5.13) надо умножить на 3, по числу фаз. Для Р получим ряд выражений:

, (5.14)

где UЛ – линейное напряжение на зажимах генератора.

Аналогично для полной реактивной мощности генератора Q:

. (5.15)

Зависимость (5.14) во всем диапазоне углов δ называется угловой характеристикой активной мощности синхронной машины и для неявнополюсной машины имеет вид синусоиды. Будем считать, что если Р>0, т.е. при 0 0, т.к. мы говорим о синхронном генераторе.

Рис.5.7. Зависимости Р=f(δ) и Q=f(δ) для турбогенератора при заданных напряжении статора U и токе возбуждения If.

На рис.5.7 приведены зависимости P=f(δ) и Q=f(δ), здесь же показано, что к генератору поступает мощность от турбины РТ, представленная прямой линией, так как мощность турбины не зависит от угла δ.

Как было рассмотрено ранее, активная мощность, отдаваемая генератором в сеть, без учета потерь в самом генераторе, должна равняться мощности поступающей от турбины. Из рис.5.7 видно, такое равенство может наступить в двух точках: а и b, которым соответствует два значения угла: δа и δb.

В какой из точек равновесия а или b может работать генератор, определяется таким понятием как статическая устойчивость.

Под статической устойчивостью понимают способность системы самостоятельно восстановить исходный режим работы при малом возмущении.

При работе в точке а (рис. 5.7), мощности генератора и турбины уравновешивают друг друга. Если допустить, что угол δа получает небольшое приращение Δδ, то мощность генератора, следуя синусоидальной зависимости от угла, так же изменится на некоторую величину ΔР, причем, как вытекает из рис. 5.7, в точке а положительному приращению угла Δδ соответствует также положительное изменение мощности генератора ΔР. Что же касается мощности турбины, то она не зависит от угла δ и при любых изменениях последнего остается постоянной и равной РТ. В результате изменения мощности генератора равновесие моментов турбины и генератора оказывается нарушенным и на валу машины возникает избыточный момент тормозящего характера, поскольку тормозящий момент генератора в силу положительного изменения мощности ΔР преобладает над вращающим моментом турбины.

Под влиянием тормозящего момента ротор генератора начинает замедляться, что обусловливает перемещение связанного с ротором вектора ЭДС генератора Ef в сторону уменьшения угла δ. В результате уменьшения угла вновь восстанавливается исходный режим работы в точке a и, следовательно, этот режим должен быть признан устойчивым. К тому же выводу можно прийти и при отрицательном приращении угла Δδ в точке a.

Совершенно иной получается картина в точке b. Здесь положительное приращение угла Δδ сопровождается не положительным, а отрицательным изменением мощности генератора ΔP. Изменение мощности генератора вызывает появление избыточного момента ускоряющего характера, под влиянием которого угол δ не уменьшается, а возрастает. С ростом угла мощность генератора продолжает падать, что обусловливает дальнейшее увеличение угла и т. д. Процесс сопровождается непрерывным перемещением вектора ЭДС Ef относительно вектора напряжения приемной системы U и генератор выпадает из синхронизма. Таким образом, режим работы в точке b статически неустойчив и практически неосуществим.

Читайте также:  Подключение фотореле через пускатель схема подключения

Итак, точка а и любая другая точка на возрастающей части синусоидальной характеристики мощности отвечают статически устойчивым режимам и, наоборот, все точки падающей части характеристики — статически неустойчивым.

В области углов δ о возможна устойчивая установившаяся работа генератора. Критическим с точки зрения устойчивости является значение угла δ=90 о , когда достигается максимум характеристики мощности.

Максимум характеристики мощности (5.14) представляется выражением и определяет теоретически допустимую величину активной мощности, которую может передавать генератор без потери устойчивости, поэтому его называют пределом статической устойчивости. В реальной практике максимальная мощность, отдаваемая генератором должна быть значительно ниже Pm , чтобы иметь запас по статической устойчивости. При превышении этой величины мощностью турбины РТ генератор переходит в область неустойчивой работы и его ротор начнет вращаться несинхронно с остальными генераторами системы, всё время ускоряясь, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Величину Рm можно изменять, изменяя только ЭДС возбуждения Ef , т.к. Xd зависит от конструкции генератора и для данного генератора является константой, а UЛ обычно поддерживают неизменным равным номинальному напряжению генератора UН. В свою очередь, Ef изменяют изменяя ток возбуждения If , наибольшая величина Ef достигается при номинальном токе возбуждения IfН.т.к. дальнейшее повышение тока возбуждения перегреет ротор.

Кривая зависимости реактивной мощности от угла δ Q=f(δ) согласно (5.15) представляет собой смещенную вниз по оси ординат на величину косинусоиду с амплитудой . Смещение можно считать неизменным, т. к. UЛ поддерживают равным UН. Возможная реактивная мощность генератора определяется кривой Q=f(δ) в диапазоне углов δ от 0 до π/2. Конкретная реактивная мощность при заданном токе возбуждения определяется тем углом δа, с которым работает генератор, а он определяется активной мощностью, отдаваемой генератором при заданном токе возбуждения. На рис.5.7 это будет реактивная мощность Q. При изменении угла δа реактивная мощность может быть как положительная (генератор отдаёт реактивную энергию в сеть), так и отрицательная (генератор получает реактивную энергию для своей работы из сети) при снижении тока возбуждения ниже некоторой величины. Наибольшая по величине отдаваемая реактивная мощность будет при δа=0, когда генератор не несет активной нагрузки, она будет равна . В этом случае генератор становится генератором реактивной мощности. Теоретически наибольшая потребляемая реактивная мощность будет при δа=π/2 (при бо / льших углах δ не возможна устойчивая работа генератора) и будет равна . Чтобы изменить реактивную мощность генератора при заданной активной, необходимо изменить ток возбуждения. (При этом изменится угол δа и амплитуда косинусоиды в выражении реактивной мощности, всё это вместе изменит реактивную мощность генератора.)

При уменьшении реактивной мощности будет уменьшаться предел передаваемой мощности, поэтому необходимо следить, чтобы оставался достаточный запас по статической устойчивости.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *