Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра располагаются пазы для укладки обмотки якоря. При внешнем диаметре менее 1 м сердечник собирают из цельных кольцевых пластин, а при большем диаметре каждое кольцо составляют из отдельных пластин, называемых сегментами (рис. 32.3).

Рис 32 3. Сегмент статора крупной синхронной машины

Сердечник размещают станине (корпусе) статора. В пазы статора укладывают двухслойные петлевые обмотки, а в более крупных машинах - одновитковые стержневые волновые обмотки. Пазы, как правило, имеют прямоугольное сечение, а толщина и структура их изоляции зависят от индуцируемой ЭДС. При большом сечении проводников фазы для уменьшения добавочных потерь от вихревых токов их разбивают на ряд элементарных проводников, которые по длине обмотки транспонируют между собой. Статор синхронной машины в собранном виде показан на рис. 12.1.

По выполнению ротора синхронные машины подразделяют на явнополюсные и неявнополюсные.

Явнополюсный ротор синхронных машин имеет высту­пающие полюсы, сердечник которых в крупных машинах набирают из пластин конструкционной стали толщиной 1- 2 мм, в мелких машинах - из электротехнической стали толщиной 0,5-1 мм. В машинах небольшой мощности по­люсы приворачиваются болтами к валу (рис. 32 4, а), а у тихоходных машин - к ободу ротора (рис. 32.4, б).

Рис 32.4. Крепление полюсов ротора

В крупных и относительно быстроходных машинах полюсы крепят к ободу ротора с помощью хвостов, имеющих Т-образную форму (рис. 32.4, в) или форму ласточкина хвоста (рис. 32.4, г). Такое крепление хотя технологически сложнее, но является более прочным, чем крепление болтами

Обмотку возбуждения, которую размещают на полюсах, для лучшего охлаждения выполняют в крупных машинах из неизолированной шинной меди большого сечения, намотанной на ребро. Между соседними витками укладывают изоляционные прокладки, пропитанные в смоле, после чего катушку запекают и устанавливают на полюсе с предвари­тельно нанесенной по его периметру корпусной изоляцией. В машинах небольшой мощности катушки обмотки возбуждения выполняют из изолированных проводников прямо­угольного или круглого сечения.

На полюсах ротора часто укладывают демпферную обмотку. Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по торцам замыкают пластинами или кольцами, образуя короткозамкнутые клетки. Демпферные обмотки подразделяют на продольные и продольно-поперечные.

Рис. 32 5 Продольная демпферная обмотка на роторе

Рис. 32 6. Продольно-поперечная демпферная обмотка на роторе

Продольная обмотка получается, если пластины замыкают с торцов стержни только одного полюса (рис. 32.5). В продольно-поперечной обмотке соединяются по торцам стержни всех полюсов (рис. 32.6). В первом случае демпферная обмотка образует контуры, ось которых совпадает только с продольной осью машины (с осью полюсов), а во втором - как с продольной, так и с поперечной осями.

Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В гене­раторах она ослабляет поле обратной последовательности при несимметричной нагрузке (см. гл. 34) и снижает ам­плитуду колебаний ротора, возникающих в некоторых слу­чаях при параллельной работе генератора (см. гл. 36). В двигателях она является пусковой обмоткой (см. гл. 37), а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульса­ции нагрузочного момента (см. гл. 36).

Явнополюсные роторы применяют в крупных машинах с относительно низкой частотой вращения и, следователь­но, большим числом полюсов. Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом широко используются в качестве двигателей и генераторов. Явнополюсные маши­ны с высокой частотой вращения выполняются только на небольшие мощности. Общий вид ротора явнополюсной ма­шины показан нарис. 32.7.

Рис. 32.7. Ротор явнополюсной синхронной машины

Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного соединения с гидравлическими тур­бинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами (рис. 32.8). В зависимости от мощности турбины и напора воды, частота вращения гидрогенераторов колеблется от 50 до 600 об/мин, а число полюсов, соответствующее частоте 50 Гц, достигает несколько десятков.

Гидрогенераторы выполняются на большие мощности. Самые крупные гидрогенераторы в настоящее время по­строены для Саяно-Шушенской ГЭС. Они имеют мощность 7 15MB. А при частоте вращения 143 об/мин. Внешний диа­метр гидрогенератора около 15 м, диаметр его ротора около 12 м, длина магнитопровода статора 2,75 м, число полюсов 42.

В конструктивном отношении гидрогенераторы имеют ряд особенностей. Важным узлом у них является упорный подшипник или подпятник. Он удерживает массу вращающихся частей ротора и турбины, а также давление воды на лопасти турбины. Подпятник представляет собой особый вид подшипника скольжения. Он состоит из вращающейся части - пяты, выполненной в виде диска, укрепленного на роторе, и неподвижной части, находящейся под пятой (собтвенно подпятник). Для уменьшения потерь между трущи­мися поверхностями (пяты и собственно подпятника) созда­ется слой смазки достаточной толщины.

Для восприятия радиальных усилий, действующих на ротор гидрогенератора, на его валу устанавливаются на­правляющие подшипники (один или два).

Рис. 32 8 Синхронный гидрогенератор:

1-корпус статора; 2- сердечник статора; 3 - полюсы ротора; 4- обод ротора; 5 - верхняя крестовина

Один подшипник устанавливается при жестком фланцевом соединении валов гидрогенератора и турбины. Другим направляющим подшипником в этом случае является направляющий под­шипник турбины. Подпятник и направляющие подшипники размещаются на крестовинах, которые служат для воспринятая и передачи вертикальных и радиальных усилий на фундамент или на корпус статора. Различают верхнюю и нижнюю крестовины.

В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные. В подвесном гидрогенераторе (рис. 32.9, а) подпятник располагается над ротором в верхней части агрегата, на верхней крестовине, и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине к подпятнику. В зонтичном гидрогенераторе подпятник располагается на нижней крестовине (рис. 32.9, б) или на крышке турбины, и генератор в виде «зонта» находится над подпятником.

Рис. 32.9. Подвесное (а) и зонтичное (б) исполнения гидрогенератора. 1, 2 - верхняя и нижняя крестовины; 3 - подпятник; 4 - направляющие подшипники; 5 - направляющий подшипник турбины; 6 - ротор; 7 - статор; 8 - турбина

При зонтичном исполнении гидрогенератор будет иметь меньшую массу и высоту, чем при подвесном. Снижение массы и высоты произойдет за счет уменьшения размеров верхней крестовины, имеющей больший диаметр, чем нижняя.

Механическая прочность различных деталей ротора гид­рогенератора рассчитывается по так называемой угонной скорости, которая в 2-3 раза больше номинальной. Такая скорость получается в результате разгона ротора при ава­рийном отключении генератора от сети.

Неявнополюсные роторы применяют в крупных син­хронных машинах, имеющих высокую частоту вращения (n=3000, 1500 об/мин). Изготовление крупных машин с такими частотами вращения при явнополюсной конструк­ции невозможно по условиям механической прочности ротора, крепления полюсов и обмотки возбуждения. С неявнополюсным ротором выполняются главным образом крупные синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с паровыми турбинами. Такие машины называются турбогенераторами. Турбогенераторы для тепловых электрических станций имеют частоту вращения 3000 об/мин и два полюса, а для атомных электро­станций- 1500 об/мин и четыре полюса.

Рис. 32.10. Общий вид ротора турбогенератора:

1 - контактные кольца; 2 - кольцевые бандажи; 8 - ротор; 4 - вентилятор; 5 -вал

Рис. 32 11. Поперечный разрез двухполюсного ротора турбогенератора

Ротор турбогенератора выполняется массивным из цельной стальной поковки. Для роторов турбогенераторов большой мощности применяется высококачественная хромоникелевая или хромоникельмолибденовая сталь. По услови­ям механической прочности диаметр ротора при частоте вращения 3000 об/мин не должен превышать 1,2-1,25 м. Активная длина ротора для обеспечения необходимой механической жесткости должна быть меньше 6,5 м. На рис. 32.10 дан общий вид, а на рис. 32.11-поперечный разрез двухполюсного ротора турбо­генератора. На наружной по­верхности ротора фрезеруются радиальные пазы прямоуголь­ной формы, в которые уклады­ваются катушки распределенной обмотки возбуждения. Примерно одна треть полюсного деления не обматывается и образует так называемый большой зубец, через который проходит основная часть магнитного потока возбуждения генератора. Иногда для выравнивания жесткости ротора в большом зубце выполняются пазы.

Из-за больших центробежных сил, действующих на об­мотку возбуждения, ее закрепление в пазах производится с помощью немагнитных металлических клиньев (дюралю­миний и др.). Немагнитные клинья ослабляют потоки пазо­вого рассеяния, которые могут вызывать насыщение зубцов и уменьшение полезного потока. Пазы большого зубца для выравнивания магнитной проводимости сверху закрывают­ся магнитными клиньями. Лобовые части обмотки закреп­ляются роторными бандажами. Обмотки ротора имеют изо­ляцию класса В или F. Выводы от обмотки возбуждения подсоединяются к контактным кольцам на роторе.

В осевом направлении по всей длине ротора просверли­вается центральное отверстие, которое служит для исследо­вания материала в центральной части поковки и для раз­грузки поковки от опасных внутренних напряжений. На рис. 32.12 показан общий вид турбогенератора. В турбоге­нераторах функцию демпферной обмотки выполняют мас­сивное тело ротора и клинья. С неявнополюсным ротором выпускаются также быстроходные двигатели большой мощ­ности - синхронные турбодвигатели.

Рис. 32.12 Общий вид турбогенератора:

1 - корпус, 2 - сердечник статора; 3 -ротор, 4- газоохладитель; 5 - возбудитель, 6 - подшипник

Обмотка возбуждения

Обмотка возбуждения синхронных двигателей выполняется из отдельных полюсных катушек с открытыми наружной и внутренней поверхностями

Катушка полюса изготовляется из голой, согнутой на ребро шинной меди. В синхронных двигателях большой мощности катушки полюсов выполняются из шинной меди специального профиля. Применением подобной меди достигается увеличение наружной поверхности катушки и улучшение съема тепла с катушки.

Витковая изоляция катушки выполняется из лакированной асбестовой бумаги или из стеклоткани, пропитанной эпоксидным лаком. Для придания монолитности катушки опрессовываются и выпекаются под большим давлением на прессе (не менее 150 кгс/см 2 площади витка).

Изоляция катушки от корпуса накладывается непосредственно на сердечник полюса. Она выполняется из ряда слоев асбестовой бумаги и микафолия для класса изоляции В или из стеклоткани, пропитанной эпоксидным лаком, для класса нагревостойкости F.

Изоляция больших полюсов изготовляется в виде твердых коробов, выполненных из прессованной стеклоткани на эпоксидных связующих. Короба составные и склеиваются под давлением непосредственно на сердечнике полюса. От остова ротора и от полюсного башмака катушки изолируются путем прокладки гетинаксовых или стеклотекстолитовых шайб.

Полюсные катушки выполняются также залитыми синтетическими смолами (эпоксидными) аналогично способу пропитки под вакуумом статорных катушек с термореактивной изоляцией на эпоксидных связующих. Залитые катушки полюсов обладают высокими механическими свойствами, высокой влагостойкостью и обеспечивают хорошую теплопередачу полюсному наконечнику.

Упрочненные катушки устанавливаются на изолированные каркасами и шайбами сердечники полюсов и раскрепляются до заливки изоляционными прокладками.

После заливки смолой полюс с катушкой представляет одно целое. Конструкция полюсов с залитыми катушками возбуждения обладает высокой надежностью, в то же время сами катушки являются неремонтоспособными. При неисправности катушки приходится заменять полностью собранный полюс.

Условия охлаждения катушки возбуждения могут быть улучшены путем установки катушки на изолированный сердечник полюса с помощью расклинивающих прокладок. В образованном зазоре между катушкой и сердечником полюса циркулирует охлаждающий воздух

Выводные концы катушек с целью обеспечения удобств сборки и компенсации температурных деформаций набираются из тонкой ленточной меди и приклепываются к крайним виткам катушки.

В катушках, выполненных из относительно толстых медных проводов, выводные конусы присоединяются к крайним виткам с помощью ласточкиного хвоста и пропаиваются.

Соединение катушек производится медными хомутиками и пропаивается. Для предохранения от выгиба и разрыва, которые возможны под действием центробежных усилий, верхние выводные концы катушек прикрепляются к изоляционной прокладке, установленной между башмаками соседних. полюсов и прибандажированной шпагатом. Нижние выводные концы прикрепляются изоляционными планками к ободу ротора.

Для предохранения катушек от перемещения в радиальном направлении на полюсах, прикрепляемых к остову ротора Т-образными хвостами, устанавливаются спиральные дружины и нажим пружин на катушки осуществляется через стальные шайбы.

Демпферная обмотка

Синхронные вертикальные двигатели имеют демпферные (пусковые) обмотки, состоящие из круглых латунных или медных (латунь марки Л62 по ГОСТ 1019-47 медь марки М1 или М2 по ГОСТ 859-66) стержней, припаянных концами к медным пластинам (сегментам). Для получения хорошего теплоотвода стержни демпферной обмотки должны сидеть в пазу плотно, без зазора. Стержни должны быть зафиксированы по центру полюсного башмака с помощью керновки или чеканки для обеспечения равномерного удлинения от торцов башмака при нагреве. Сегменты демпферных обмоток выполняются из меди марки МГТ (ГОСТ 434-71) и припаиваются к стержням тугоплавким припоем. Сегменты располагаются в горизонтальной или вертикальной плоскости.

Конструкция обмотки с демпферными сегментами, расположенными в горизонтальной плоскости, является простой и технологичной по исполнению и надежной в работе. Подобная конструкция применяется в основном для тихоходных двигателей, у которых отсутствуют массивные полюсные щеки и имеется возможность расположить демпферные сегменты в непосредственной близости к краю полюса. Концы соседних горизонтально расположенных сегментов соединяются между собой внахлест болтами, образуя замкнутое кольцо. При достаточной высоте полюсного башмака демпферные обмотки с горизонтальными сегментами могут применяться и в случаях механически загруженных обмоток. Концы соседних сегментов соединяются между собой медными пластинами и для механического закрепления притянуты стальными изолированными шпильками к ободу ротора.

Наиболее часто для крупных двигателей применяется конструкция демпферной обмотки с креплением каждого сегмента зубом (выступом) на козырьке щеки полюса

На плоскости сегмента, обращенной к щеке, делается паз глубиной примерно в половину толщины сегмента (не менее 6 мм). В этом пазу размещается выступ щеки. Соединение сегментов в кольцо выполняется в этом случае также с помощью соединительных медных планок по две на каждый стык. Контактные поверхности сегментов и накладок для особо тяжелых условий пуска двигателя выполняются серебреными.

Пуск

Весьма сложен процесс пуска синхронного двигателя, так как за счет синхронного момента разогнать ротор из неподвижного состояния до синхронной скорости невозможно из-за инерционности ротора. Если попытаться запустить двигатель за счет подачи одновременно напряжения на обмотку статора и на обмотку ротора от возбудителя, то синхронный момент, возникший в результате взаимодействия полей ротора и статора будет знакопеременным с частотой 50 Гц. В следствии этого, для пуска предусмотрена специальная пусковая обмотка или демпферная обмотка, которая помогает гасить качание ротора в результате переходных процессов. В явно полюсной синхронной машине пусковая обмотка представляет собой короткозамкнутую обмотку типа беличья клетка. Ее стержни располагаются в пазах полюсного наконечника. Сегменты соседних полюсов также связаны и образуют общее короткозамыкающее кольцо. В неявнополюсной машине роль пусковой обмотки выполняет массив ротора и пазовые клинья.

Пуск осуществляется в два этапа: на первом за счет взаимодействия поля статора с пусковой обмоткой возникает асинхронный момент, двигатель запускается до подсинхронной скорости; на втором подается напряжение на обмотку возбуждения и под действием электромагнитного момента происходит втягивание машины в синхронизм.

Демпферная обмотка полюсов синхронных машин выполняет ряд функций. В генераторах она служит для снижения уровня динамических перенапряжений в обмотке ротора при несимметричных коротких замыканиях, гашения обратного синхронного поля, улучшения формы ЭДС и симметрии напряжений при несимметричных нагрузках отдельных фаз, успокоения качаний и повышения динамической устойчивости работы. Генераторы малой мощности (до 100 кВт) обычно не имеют демпферной обмотки.

Синхронные двигатели выполняют с демпферной обмоткой, которая служит в качестве пусковой при асинхронном пуске, а так же для успокоения качаний в процессе работы. Демпферную обмотку обычно изготовляют из стержней круглого сечения, закладываемых в круглые пазы, равномерно расположенные по дуге полюсных наконечников. Концы стержней замыкают пластинами (сегментами), расположенными вдоль полюсной дуги с обеих сторон полюса. Эти сегменты соединяют между собой по междуполюсному пространству пластинами, образуя коротко замыкающие кольца. Параметры демпферной обмотки устанавливают с учетом следующих условий. Для улучшения демпфирующего эффекта обмотка должна иметь малое активное сопротивление. Поэтому стержни, короткозамыкающие сегменты и соединительные пластины обычно выполняют из меди.

Суммарную площадь поперечного сечения стержней демпферной обмотки на один полюс целесообразно принимать близкой к 15% суммарной площади поперечного сечения меди обмотки статора, приходящейся на одно полюсное деление (мм 2)

. (11-53)

Для уменьшения добавочных потерь и пульсаций ЭДС обмотки статора желательно принимать зубцовое деление полюсного наконечника ротора близким к зубцовому делению статора . При , равном целому числу, а также при или целесообразно выбирать . При целесообразно принимать в генераторах , а в двигателях (чтобы исключить возможность проявления эффекта «прилипания») должно быть несколько меньше или больше . В приведенных выражениях - несократимая дробь.

Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один полюс (шт.)

Количество стержней демпферной обмотки на полюс выбирают так, чтобы минимальная ширина крайнего зубца полюсного наконечника была не менее 3 мм и не превышала 0,5 .

Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки (мм)

; (11-55)

принимают значение , равное ближайшему целому числу, и определяют соответствующее этому диаметру сечение стержня .

Уточненное значение зубцового деления полюсного наконечника (мм)

Диаметр круглой части паза полюсного наконечника (мм)

Размеры шлица паза демпферной обмотки генераторов выбирают так, чтобы ширина и высота (рис. 11-13) были примерно одинаковыми (около 3 мм); в двигателях (для увеличения вращающего момента) высоту шлица принимают 1,5-2 мм.

Рис. 11-13. Эскиз полюсного

наконечника с пазами демпферной обмотки:

1 - полюс; 2 - стержень демпферной обмотки;

3 --- короткозамыкающий сегмент.

Для обеспечения механической прочности кромок полюсного наконечника должно соблюдаться условие . При малых высотах кромок полюсных наконечников крайние пазы демпферной обмотки выполняются закрытыми; при этом

Предварительная длина стержня демпферной обмотки

затем ее уточняют при проработке конструкции машины.

Демпферную (пусковую) обмотку размещают в пазах полюсных наконечников ротора (рис. 10.20, ). Эта обмотка в генераторах служит для ослабления обратного синхронного поля при несимметричной нагрузке, успокоения качаний ротора, предотвращения динамических перенапряжений при несимметричных коротких замыканиях и повышения электродинамической стойкости. В двигателях эта обмотка необходима для асинхронного пуска и успокоения качаний ротора.

Расчет демпферной обмотки заключается в определении количества и размеров стержней обмотки, а также размеров короткозамыкающих сегментов. Короткозамыкающие сегменты замыкают все стержни с торцов полюса и соединяются с сегментами соседних полюсов, образуя кольцо (рис. 10.20, ). В этом случае демпферная обмотка носит название продольно-поперечной. Если сегменты соседних полюсов не соединяются между собой (рис. 10.20, ), то обмотка называется продольной. Наиболее часто применяют продольно-поперечные демпферные обмотки.

Рис. 10.20. Демпферная (пусковая) обмотка:

а - расположение обмотки на полюсе;

б - продольно-поперечная обмотка; в - продольная обмотка

Для машин общего назначения число стержней на полюс выбирают обычно в пределах от 5 до 10. Стержни выполняют из меди или латуни круглого сечения. Чаще всего демпферную (пусковую) обмотку выполняют из медных стержней. Стержни из латуни применяют в тех случаях, когда необходимо получить большие значения начального пускового момента у синхронных двигателей. Иногда для повышения пускового момента обмотку изготовляют из разнородных материалов - крайние стержни клетки делают из латуни, а остальные - из меди. Поперечное сечение всех стержней, расположенных на полюсе, принимают равным 0,15…0,35 сечения меди обмотки статора, приходящейся на полюс. Исходя из этого, сечение стержня

. (10.55)

Коэффициент в скобках (10.55) для генераторов принимается равным 0,15…0,25, для двигателей 0,25…0,35.

Диаметр стержня

округляют до размера, кратного 0,5 мм.

Зубцовый шаг на роторе

, (10.57)

где - расстояние между крайним стержнем и краем полюсного наконечника: м.

Кроме выполнения основной своей задачи демпферная обмотка снижает амплитуды гармоник магнитного поля, обусловленных зубчатостью статора. Эти гармоники и вызывают пульсацию ЭДС в обмотке статора и образуют токи и добавочные потери в самой демпферной обмотке. Для того чтобы демпферная обмотка наилучшим образом выполняла свои задачи, при ее проектировании следует соблюдать следующие требования.

В генераторах для уменьшения, добавочных потерь и искажения ЭДС желательно иметь зубцовый шаг на роторе возможно более близким к зубцовому шагу статора . Если число пазов на полюс и фазу в статоре - целое число, или, , или , то .

Для исключения из кривой ЭДС высших гармонических, обусловленных зубчатостью статора, необходимо иметь:

; (10.58)

где - число стержней в полюсе; - целое число, близкое к ().

При достаточно высокой дробности зубцовые гармонические в кривой ЭДС не проявляются, поэтому при можно принимать .

Исходя из этого необходимо найденное в (10.59) значение зубцового шага проверить на соответствие указанным требованиям и в случае их невыполнения сделать пересчет, задавшись другими значениями и .

В двигателях для уменьшения добавочных потерь и исключения «прилипания» ротора число стержней и их шаг выбирают так чтобы

В синхронной машине с демпферными обмотками значения ЭДС и индуктивного сопротивления в начальный момент переходного процесса зависят от параметров этих процессов.

На рис. 6.5 изображена принципиальная схема синхронной машины, имеющей на роторе кроме обмотки возбуждения по одной демпферной обмотке в его продольной и поперечной осях.

Обмотка статора и обе обмотки ротора в его продольной оси связаны между собой общим потоком взаимоиндукции , которому соответствует реактивное сопротивление продольной реакции х ad .

Внезапное приращение потока в такой машине вызывает реакцию ротора – приращения потока обмотки возбуждения и потока продольной демпферной обмотки При этом баланс результирующих потокосцеплений должен сохраниться неизменным и соответствовать равенствам:

для обмотки возбуждения

для продольной демпферной обмотки

где – начальный ток, наведенный в продольной демпферной обмотке её реактивности рассеяния.

Из уравнений (6.13) и (6.14) следует, что

, (6.15)

т. е. чем меньше рассеяние обмотки, тем больше наведённый в ней ток и тем, соответственно, больше роль этой обмотки в создании ответной реакции ротора.

Рис. 6.5. Принципиальная схема синхронной машины с демпферными
обмотками в продольной и поперечной осях ротора

Если совместную реакцию обмотки возбуждения и демпферной обмотки в начальный момент переходного процесса заменить такой же реакцией от суммарного тока в одной эквивалентной обмотке продольной оси ротора реактивным сопротивлением рассеяния , то

С учётом (6.13), (6.15) и (6.16) можно найти эквивалентное реактивное сопротивление рассеяния

, (6.17)

которое определяется как сопротивление двух параллельных ветвей с и .

Следовательно, для получения сопротивления, которым характеризуется такая машина в продольной оси при внезапном нарушении режима достаточно в (6.11) вместо х s f ввести х s rd . Сделав такую подстановку и произведя преобразование, найдём продольное сверхпереходное сопротивление

В поперечной оси ротора, где расположена только одна демпферная обмотка, можно найти поперечное сверхпереходное сопротивление .

. (6.19)

ЭДС за сопротивлениями и в начальный момент переходного процесса сохраняют свои значения неизменными, и называются сверхпереходными ЭДС и . Значения этих ЭДС

(6.20)

где , , , – составляющие напряжения и тока до нарушения нормального режима работы машины.

Таким образом, синхронную машину с демпферными обмотками в начальный момент переходного процесса характеризуют сверхпереходные сопротивления и и сверхпереходные ЭДС , . Приставкой «сверх» в названиях «сверхпереходные» подчёркивают влияние на переходный процесс демпферных обмоток машины.

Принципиальную схему трёх магнитосвязанных обмоток в продольной оси ротора (рис. 6.6 а ) можно представить эквивалентной схемой замещения, аналогичной схеме замещения трансформатора (рис. 6.6 б ), в которой ЭДС соответствуют результирующим потокосцеплениям обмотки возбуждения и продольной демпферной обмотки. Упрощённая схема замещения машины с параметрами и изображена на (рис. 6.6 в ).

Рис. 6.6. Схема замещения синхронной машины по продольной оси ротора
в сверхпереходном режиме

В поперечной оси ротора с параметрами и схема замещения машины имеет такой же вид, как и для двухобмоточного трансформатора (рис. 6.4).

При чисто индуктивной цепи статора продольная и поперечная составляющие сверхпереходного процесса определяются выражениями:

(6.21)

Полный сверхпереходный ток

Угол между полным и сверхпереходными значениями тока и ЭДС в общем случае не равен 90°, т. к. даже в чисто индуктивной цепи .

6.6. Переходный процесс в синхронной машине
без демпферных обмоток

Переходный процесс будем рассматривать в предположении, что синхронная машина работает отдельно от других источников питания. Внешняя цепь статора при возникшем КЗ характеризуется некоторым постоянным сопротивлением, преимущественно индуктивным.

В нормальном режиме в роторе протекает постоянная составляющая тока обмотки возбуждения I f . Эта составляющая наводит в обмотке статора периодически изменяющийся ток. При внезапном КЗ на увеличение магнитного потока в продольной реакции статора а соответственно, и тока в статоре, ротор отвечает увеличением тока возбуждения на величину , который из-за потерь в роторе будет затухать с постоянной времени . Этот ток будет наводить в обмотке статора периодически затухающий ток (рис. 6.7).

.

(6.22)

,

где – постоянная времени затухания свободного тока в обмотке возбуждения ;

Т – постоянная времени обмотки возбуждения.

Для определения начального значения апериодической составляющей рассмотрим момент времени t = 0

Рис. 6.7. Переходный процесс в синхронной машине без демпферных обмоток

где T a – постоянная времени затухания апериодической составляющей ;

х 2 – сопротивление обратной последовательности генератора;

R ст – активное сопротивление обмотки статора.

Из выражения (6.24) следует, что при внезапном КЗ в синхронной машине без демпферных обмоток имеется две апериодические составляющие, одна из них изменяется по периодическому закону, вторая – по экспоненциальному закону.

Таким образом, переходный процесс состоит из двух режимов (рис. 6.7): переходного и установившегося. Переходный режим заканчивается тогда, когда затухнут свободные токи в обмотке возбуждения. Ток в обмотке ротора состоит из трех составляющих (I p = I f + I n св + I св ).

6.7. Переходный процесс в синхронной машине
с демпферными обмотками

При внезапном КЗ на зажимах синхронной машины с демпферными обмотками на увеличение магнитного потока продольной реакции статора ротор отвечает изменением тока в двух обмотках: увеличением тока возбуждения на величину который затухает с постоянной времени , и увеличением тока в продольной демпферной обмотке на величину который затухает с постоянной времени . Эти токи будут наводить в обмотке статора периодически затухающие токи (рис. 6.8).

При внезапном КЗ в обмотке статора будет протекать ток, состоящий из двух составляющих: периодической и апериодической .

Определим периодическую составляющую тока КЗ

:

;

Определим апериодическую составляющую тока КЗ

Для определения i осв рассмотрим момент времени t = 0, получим i осв = , тогда

. (6.26)

Запишем закон изменения полного тока

(6.27)

Где T" – постоянная времени затухания свободного тока в продольной демпферной обмотке

N

Рис. 6.8. Переходный процесс в синхронной машине с демпферными обмотками

Таким образом, переходный процесс состоит из трёх режимов (рис. 6.8) – сверхпереходного, переходного и установившегося. Ток в роторе состоит из пяти составляющих ( ).

Контрольные вопросы

1. Какой вид имеет принципиальная схема машины с демпферными обмотками и без них?

2. Как протекает переходный процесс при КЗ на зажимах синхронной машины без демпферных обмоток?

3. Какие значения ЭДС индуктивного сопротивления синхронной машины называются переходными?

4. Какие особенности переходного процесса при КЗ на зажимах синхронной машины с демпферными обмотками?

5. Как определяются сверхпереходные ЭДС и сопротивления синхронной машины?

7. Переходный процесс в сети при трёхфазном КЗ

7.1. Переходный процесс при удалённом КЗ

Переходным называют режим, протекающий от начала КЗ и до момента, когда наступает установившееся КЗ. Переходный режим в общем случае характеризуется появлением свободной апериодической составляющей тока КЗ, которая накладывается на периодическую составляющую, изменяющуюся с частотой сети, и вместе с ней образует полный ток КЗ.

Правильно оценить электродинамическое и термическое действие тока КЗ невозможно, не учитывая переходный режим КЗ, так как мгновенное и действующее значения полного тока КЗ существенно больше их значений в установившемся режиме.

Рассмотрим протекание переходного процесса при удаленных коротких замыканиях. Для простоты предположим, что цепь работает на холостом ходу, т. е. нагрузка в цепи отсутствует, а в момент произошло КЗ (рис. 7.1).

При переходном режиме полный ток КЗ i состоит из двух составляющих: периодической i n и апериодической i a (рис. 7.1). Периодическая составляющая тока КЗ изменяется по синусоидальному закону и в силу индуктивного характера цепи отстает от напряжения U на угол φ к .

Апериодическая составляющая i a затухает по экспоненциальному закону. Начальное значение апериодической составляющей i ao равно мгновенному значению периодической составляющей i no в момент КЗ. Переходный режим КЗ закончится в тот момент, когда затухнет апериодическая составляющая.

Рис. 7.1. Кривые изменения периодической i n и апериодической i a
составляющих, а также полного i тока КЗ при удаленном КЗ

При КЗ в элементах СЭС токи в обмотках генератора будут меньше, чем в случае КЗ на зажимах генератора, так как результирующее сопротивление короткозамкнутой цепи увеличивается. Вследствие этого уменьшается влияние КЗ в СЭС на работу генератора, а также предел изменения тока КЗ в течение переходного процесса, который зависит от удалённости точки КЗ относительно источника и будет тем меньше, чем дальше находится точка КЗ. При КЗ в удалённых точках СЭС периодическая составляющая тока во время переходного процесса в генераторе практически не изменяется.

Удалённой точкой называют такую точку СЭС, при КЗ в которой ток генераторов электростанции изменяется настолько незначительно, что изменением ЭДС генераторов можно пренебречь и считать напряжение на их зажимах неизменным и равным номинальному. При этом ток КЗ может значительно превышать номинальный ток короткозамкнутой ветви и является опасным для участка СЭС, где расположена удалённая точка.

Поэтому при КЗ в удалённой точке периодическая составляющая тока не изменяется и с первого же момента времени ток КЗ принимает своё установившееся значение . Очевидно, что в данном случае характер изменения тока в цепи будет таким же, как и при питании от шин бесконечной мощности.

Апериодическая составляющая тока возникает при любой удалённости точки КЗ от источника, поскольку всякая цепь обладает индуктивным сопротивлением, и затухает тем быстрее, чем больше активное сопротивление короткозамкнутой цепи. В протяжённых КЛ и сетях с напряжением до 1 кВ, где преобладает активное сопротивление, апериодическая составляющая тока затухает в течении 0,15-0,2 с.

Внешнее сопротивление цепи генератора х вн , при КЗ за которым сверхпереходный и установившийся токи одинаковы (), можно найти, выразив их через соответствующие ЭДС и сопротивление, из равенства

(7.1)

Из (7.1) следует, что

(7.2)

Если построить зависимость отношения от внешнего сопротивления х вн (рис. 7.2), то можно установить, что для генератора без АРВ это отношение всегда больше единицы и только в пределе стремится к ней. При наличии АРВ отношение сначала уменьшается до минимального значения (0,6-0,8), а затем начинает возрастать, стремясь в пределе также к единице.

Рис. 7.2. Зависимость отношения от удалённости точки КЗ
в СЭС без АРВ (кривая 1) и с АРВ (кривая 2)

Предельное значение внешнего сопротивления короткозамкнутой цепи генератора, при котором отношение сверхпереходного тока к установившемуся току КЗ в СЭС с АРВ начинает возрастать, называют критическим и обозначают х кр . Значение х кр зависит от параметров синхронной машины и предшествующего режима её работы.

7.2. Переходный процесс в СЭС, питающийся
от генератора без АРВ

При КЗ на зажимах генератора, не имеющего АРВ, ток возбуждения i f остаётся постоянным и обеспечивает неизменный магнитный поток Ф f .

На рис. 7.3 приведены изменения полного тока и его составляющих в одной фазе цепи, питаемой от генератора без АРВ.

До начала КЗ (точка О) генератор работал в нормальном режиме, при котором в цепи протекал ток i n . В момент времени, когда ток нагрузки имел значение i n = 0, произошло КЗ, под влиянием которого наступил переходный процесс, сопровождающийся увеличением тока.

При КЗ на зажимах генератора преобладающее значение имеет индуктивное сопротивление цепи, поэтому её активным сопротивлением можно пренебречь.

Рис. 7.3. Изменения полного тока и его составляющих одной из фаз
генератора без АРВ при внезапном КЗ

При максимум апериодической составляющей тока КЗ наблюдается при нулевой фазе включения () и отсутствии предшествующего тока в цепи. В этом случае значение i ao оказывается равным амплитуде периодической составляющей

. (7.3)

Полный ток КЗ во время переходного процесса состоит из периодической и апериодической составляющих. Мгновенное значение полного тока в любой момент времени t

Поскольку генератор является источником конечной мощности и в соответствии с принятым условием работает без АРВ, напряжение на его зажимах, а следовательно, и периодическая составляющая тока КЗ с течением времени уменьшаются. Объясняется это тем, что по мере затухания свободных токов, наведенных в начальный момент КЗ в обмотке возбуждения, демпферных обмотках в массиве ротора, поток реакции статора при неизменном токе возбуждения ослабляет результирующий магнитный поток в воздушном зазоре генератора (см. гл. 6).

Последнее обстоятельство приводит к уменьшению ЭДС, наводимой в статоре, увеличению падения напряжения на зажимах генератора и изменению периодической составляющей тока КЗ.

На рис. 7.4 периодическая составляющая тока КЗ i n в течение переходного процесса изображена в виде синусоиды с убывающей амплитудой. Заметим при этом, что длительность переходного процесса превышает время затухания апериодической составляющей тока КЗ. Кроме того, начальный ток КЗ больше установившегося значения тока ().

Рис. 7.4. Кривые тока и его составляющих при КЗ на выходах
генератора с АРВ

Апериодическая составляющая тока КЗ затухает, как было показано выше, по экспоненте с постоянной времени Т а . В рассматриваемом случае сопротивление цепи КЗ и генератора соизмеримы, поэтому при вычислении Т а необходимо учитывать соответствующие сопротивления обмотки статора

Виду быстрого затухания апериодической составляющей полный ток КЗ для времени 0,15 с после начала переходного процесса можно считать практически равным периодической составляющей, которая представляет собой установившийся ток КЗ. Мгновенное и действующее значения установившегося тока КЗ обозначаются, соответственно, и .

Длительность переходного процесса КЗ для современных генераторов обычно составляет не более 3-5 с. Как и в случае питания цепи КЗ от шин бесконечной мощности, максимальное значение полного тока – ударный ток – имеет место обычно через 0,01 с после начала процесса. При определении ударного тока условно считают, что к этому времени периодическая составляющая тока не претерпевает существенных изменений и равна, как и в начальный момент КЗ, I n , m . Учитывается лишь затухание апериодической составляющей, максимальное значение которой принимается равным также I n , m .

7.3. Переходный процесс в СЭС, питающийся
от генератора с АРВ

Назначение АРВ состоит в поддержании на зажимах генератора номинального напряжения при всех возможных режимах работы генератора. В случае понижения напряжения, обусловленного КЗ, АРВ увеличивает ток возбуждения генератора, а следовательно, и напряжение в различных точках сети.

В начальный момент КЗ ввиду инерции магнитных потоков, сцепленных с обмотками генератора, АРВ на переходный процесс практически не влияет. В дальнейшем действие АРВ сказывается на увеличении тока возбуждения и связанных с ним составляющих тока статора и демпферных обмоток. Однако этот процесс протекает сравнительно медленно, так что изменяются только ЭДС генератора и обусловленная ею периодическая составляющая тока статора.

Повышение напряжения генератора благодаря АРВ начинается не в момент возникновения КЗ, а через некоторое время, необходимое для срабатывания АРВ. Поэтому ток КЗ до вступления в действие АРВ уменьшается так же, как и при отсутствии АРВ, а затем начинает увеличиваться и достигает установившегося значения, соответствующего возросшему напряжению генератора за счёт действия АРВ (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Изменение периодической составляющей тока КЗ генератора
с АРВ при постоянной времени обмотки возбуждения Т f = 0
и предельном токе возбуждения

В связи с тем, что действие АРВ проявляется через несколько периодов после появления КЗ, начальное значение полного тока КЗ и его составляющих, а также ударный ток КЗ остаются такими же, как и при отсутствии АРВ.

Таким образом, при АРВ затухание свободных токов статора и обмотки возбуждения, возникших при внешнем КЗ, в некоторой степени компенсируется увеличением тока КЗ за счёт действия АРВ.

В зависимости от соотношения между значениями этих токов и от характера их изменения кривая полного тока КЗ приобретает разный вид. При этом апериодическая составляющая i a t остаётся практически такой же, как при отсутствии АРВ, а периодическая составляющая i n t в зависимости от соотношения между начальным и установившимся токами КЗ при предельном токе возбуждения может затухать, возрастать или оставаться неизменной, как показано на рис. 7.5.