Переходные параметры синхронной машины.

3.1.Переходное сопротивление синхронной машины.

Начальная стадия переходного процесса КЗ в электрической системе имеет ряд важных особенностей. Эти особенности связаны главным образом с тем, что генераторы системы в переходном процессе имеют изменяющиеся, так называемые, переходные параметры.

Под переходным сопротивлением генератора по продольной оси понимают сопротивление которым ,,обладает'' генератор в начальной стадии ВНР. В связи с этим в схеме замещения рис.7.1 для расчета начального значения периодической слагающей тока КЗ сопротивление генератора Х_d должно быть представлено переходным сопротивлением которое оказывается значительно меньше установившегося (синхронного) сопротивления Х_d.

Чтобы определить величину переходного сопротивления генератора

рассмотрим баланс потокосцеплений статора по продольной оси d при ВНР. Примем обмотку статора за проводящий контур, допускающий конечное изменение результирующего потокосцепления статора ΔΨ_d по продольной оси, при условии, что связанный с ним индуктивный контур обмотки ротора является сверхпроводящим. Тогда в о.е. при ω = ω₀ / ω_б = 1 получим:

(7.8)

где - приращение потокосцепления статора по продольной оси за

счет приращения тока статора;

- приращение потокосцепления статора за счет приращения

тока возбуждения ротора.

Подставим значение из (7.6) в (7.8):

(7.9)

Отношение имеет размерность эквивалентной индуктивности, или в о.е. – сопротивления. Таким образом величина

(7.10)

представляет по существу переходное сопротивление генератора по продольной оси.

Из (7.10) следует, что < X_d. Для генераторов электростанций

≈ (0,2 – 0,3)Х_d.

Таким образом, наличие на роторе замкнутой через возбудитель обмотки, обладающей большой индуктивностью и малым омическим сопротивлением, приводит к значительному уменьшению эквивалентного сопротивления генератора в переходных процессах.

3.2.Физическая сущность переходного сопротивления.

Уменьшение сопротивления генератора от значения Х_d до значения в начальный момент ВНР объясняется возникновением в этот момент электромагнитной связи между обмотками статора и ротора. Рассмотрим переходный процесс при ВНР в генераторе, на роторе которого кроме обмотки возбуждения ОВГ имеется демпферная обмотка ДО (рис.7.3). При коротком замыкании ток статора резко возрастает, а так как индуктивное сопротивление цепи КЗ значительно больше активного, то ток КЗ по существу является реактивным током и отстает от ЭДС генератора на угол φ_К ≈ 90⁰. При реактивном токе создается магнитный поток Ф_а, который будет направлен навстречу потоку возбуждения Ф_f.

Магнитный поток Ф_а пронизывает два проводящих контура на роторе: демпферной обмотки ДО и замкнутой через возбудитель обмотки возбуждения генератора ОВГ (рис.7.3). В установившемся режиме магнитный поток Ф_а, замыкаясь через сталь ротора, остается неподвижным относительно вращающегося ротора и его обмоток и постоянен по величине. Поэтому, согласно закону электромагнитной индукции ни в обмотке возбуждения, ни в демпферной обмотке ЭДС от потока реакции якоря не наводится.

Рис.7.3.

Однако, в переходном режиме, когда магнитный поток Ф_а изменяется по величине, в контурах ОВГ и ДО будет наводиться так называемая трансформаторная ЭДС, вызывающая появление свободных токов i_свf и i_свДО. Так как магнитный поток Ф_а остается неподвижным относительно ротора, то токи i_свf и i_свДО имеют апериодический характер, рис.7.3,а.

Рис.7.3,а.

Следует отметить, что в переходных режимах замкнутые контуры образуются и в массивном теле (бочке) ротора синхронной машины, который для турбогенераторов делается сплошным, нешихтованным.

Токам i_свf и i_свДО соответствуют свободные апериодические магнитные потоки Ф_св.f и Ф_св.ДО (рис.7.3).

Рассмотрим режим внезапного короткого замыкания на зажимах генератора, работающего на холостом ходу. Поток ротора при КЗ в момент t = 0 не может измениться скачком, следовательно в этот момент должно выполняться условие

Ф_∑f(0) = Ф_f0,

но с другой стороны:

Ф_∑f(0) = Ф_f0 + Ф_св.f + Ф_св.ДО + Ф_аd ,

тогда

Ф_св.ДО + Ф_св.f + Ф_аd = 0,

или

Ф_аd = - (Ф_св.ДО + Ф_св.f).

Это означает, что в начальный момент КЗ поток Ф_аd в роторе компенсируется свободными потоками Ф_св.f и Ф_св.ДО и в воздушном зазоре генератора действует результирующий магнитный поток равный потоку Ф_f КЗ. В результате совместного действия ДО и ОВГ магнитный поток Ф_аd вытесняется из ротора и замыкается по путям рассеяния обмотки статора.

По существу магнитный поток обмотки статора Ф_аd, связанный с током КЗ, вынужден замыкаться по путям рассеяния, что резко уменьшает величину этого потока и пропорционального ему индуктивного сопротивления .

Если провести аналогию с трансформатором, то работа генератора в установившемся режиме аналогична режиму холостого хода трансформатора, а в переходном режиме обмотка статора аналогична обмотке трансформатора, работающего в режиме КЗ, т.е. с замкнутой накоротко вторичной обмоткой.

Таким образом, в первом случае обмотка статора обладает большим индуктивным сопротивлением Х_d и по ней протекает малый по величине ток, а во втором – эквивалентное сопротивление обмотки статора равно сопротивлению короткого замыкания, которое значительно меньше, чем в режиме холостого хода. Это сопротивление и называют переходным сопротивлением генератора по продольной оси.

Подставим в выражение (7.10) для переходного сопротивления значения реактивностей

Х_d = X_ad + X_σa, X_f = X_ad + X_σf

После некоторых преобразований получим:

(7.11)

Запишем второе слагаемое выражения (7.11) как:

тогда схема замещения для согласно (7.11) будет иметь вид, см. рис.7.4

Рис.7.4.

Здесь = Х_σа + Х_σf // X_ad.

Обычно на роторе явнополюсных машин помимо обмотки возбуждения устанавливается успокоительная (демпферная) обмотка служащая для уменьшения колебаний скорости вращения ротора и тока статора генератора в переходных режимах. Наличие такой обмотки приводит к значительному уменьшению продольной реактивности статора в начальный момент ВНР. С учетом демпферной обмотки выражение (7.11) принимает вид:

(7.12)

где = - продольное сверхпереходное реактивное

сопротивление обмотки статора;

Х_σd - реактивность рассеяния продольной демпферной обмотки.

Схема замещения для обмотки статора при определении сверхпереходного сопротивления представлена на рис.7.5.

Рис.7.5.

Из сравнения рис.7.4 и 7.5 следует, что . Экспериментальным путем установлено, что

Роль демпферной обмотки в турбогенераторах выполняет массивное сплошное тело ротора (железо ротора).