Угловые характеристики активной мощности синхронного генератора

Рассмотрим схему рис. 1. Предположим, что у генератора отсутствует система регулирования напряжения. Построим векторную диаграмму рассматриваемой системы, выделив в ней напряжение на шинах генератора U_G (рис.2.) Оно зависит от падения напряжения во внешнем сопротивлении системы:

U_G= U+Ix_вн,

где x_вн – внешнее сопротивление, определяемое как сумма сопротивлений трансформаторов и линий (x_вн= x_т1+x_L1//x_L2+x_т2).

Вектор напряжения на шинах генератора делит вектор падения напряжения Ix_d∑ на две части, пропорциональные индуктивным сопротивлением x_d и x_вн. Увеличиваем передаваемую активную мощность на ∆Р и тем самым угол δ на ∆δ. Это вызовет изменение реактивной мощности, передаваемой в систему. Для получения получения зависимости реактивной мощности от угла δ запишем выражение, следующее из векторной диаграммы, показанной на рис.2,в:

U+I_px_d∑=Ecos δ.

Умножая левую и правую части этого выражения на U, получим U²+Qx_d∑=EUcosδ. Выражая отсюда Q, запишем зависимость реактивной мощности, выдаваемой генератором, от угла δ

Этому выражению соответствует кривая, изображенная на рис.2,б.

Увеличение угла δ (рис.2,а) вызовет уменьшение реактивной мощности, а следовательно, поворот вектора тока I_C в сторону уменьшения угла φ. Новое положение вектора тока показано на диаграмме пунктирной линией (предполагая, что мощность Q изменила знак и ток стал опережать напряжение U). Этому току соответствует новое положение вектора ЭДС Е, показанное также пунктирной линией. Новое значение напряжения на шинах генератора найдем, поделив падение напряжения в сопротивлении x_d∑ в той же пропорции, как и в предыдущем случае.

Из диаграммы следует, что увеличение угла δвызывает уменьшение напряжения на шинах генератора.

Предположим, что генератор снабжен автоматическим регулятором возбуждения, который контролирует напряжение U_G. Значение же ЭДС Едо тех пор, пока не восстановит прежнее значение напряжения.

Рассматривая установившиеся режимы работы генератора с АРВ при различных значениях угла δ,часто исходят из постоянства напряжения U_G. Значение же ЭДС генератора при этом будет возрастать с увеличением угла δ. На рис.2,в. показано семейство характеристик Р=f(δ), построенных для различных значений ЭДС. Если принять за исходную точку нормального режима точку а , то при увеличении мощности Р₀ (сопровождающемся увеличением угла δ) точки новых установившихся режимов будут определяться переходом с одной характеристики на другую в соответствии с секторной диаграммой (рис.2,а). Соединив м/у собой точки установившихся режимов при разных уровнях возбуждения, получим внешнюю характеристику генератора. Она возрастает даже в области углов δ>90⁰, и ее максимум достигается при угле δ_G=90⁰, где δ_G – угол вектора напряжения на шинах генератора U_G. Но возможность работы в области углов больше 90⁰ зависит от типа регулятора возбуждения.

Регуляторы пропорционального типа (РТП) при коэффициентах усиления (коэффициент усиления определяется как соотношение чисел единиц возбуждения и единиц напряжения генератора) К_0у=50..100 позволяют поддерживать напряжение на шинах генератора почти постоянным (∆U_G≈0). Но предельная мощность генератора, снабженного АРВ с такими высокими коэффициентами усиления, ненамного выше предельной мощности нерегулируемого генератора. Это связано с тем, что при увеличении выдаваемой мощности в некоторой точке характеристики мощности начинается самораскачивание генератора, т.е. периодические колебания ротора с увеличивающейся амплитудой приводят к выпадению генератора из синхронизма. Поэтому регуляторами пропорционального типа не стараются поддерживать ∆U_G=const, допуская некоторое его снижение с ротором нагрузки. В этом случае предельная мощность Р_max, которой удается достигнуть, значительно выше мощности Р_з. Характеристика мощности при коэффициентах усиления порядка К_0у=(20..40) имеет примерно такой же максимум, что и характеристика генератора при Е^′_q=const. Следовательно, генератор, снабженный регулятором пропорционального типа, может быть представлен в схемах замещения переходным сопротивлением x^′_d и ЭДС за ним E^′_q.

Характеристика мощности генератора, замещаемого ЭДС E^′_q, может быть получена так же, как и характеристика явнополюсного генератора, если предположить, что

После некоторых преобразований, получим

Характеристика мощности, соответствующая этому выражению, показана на рис.3.

Если РТП имеет зону нечувствительности, то критерием считается режим при δ=90⁰. Если же генератор, имеющий РТП с зоной нечувствительности, работает в области углов δ>90⁰, то регулятор начнет работать лишь после того, как отклонение напряжения в ту или иную сторону достигнет определенного значения. При меньших отклонениях, лежащих в зоне нечувствительности, регулятор не работает. Границам зоны нечувствительности соответствуют две внешние характеристики (рис.4).

Допуская, что исходному режиму соответствует точка а. При небольшом возмущении, вызывающем увеличение угла, уменьшается напряжение на шинах генератора. Но регулятор не работает до тех пор, пока отклонение угла лежит в зоне нечувствительности. При увеличении угла на валу генератора возникает ускоряющий избыточный момент, вызывающий дальнейшее его увеличение. Когда траектория движения пересекает границу зоны нечувствительности (точка b), регулятор начинает работать.

Увеличение тока возбуждения, а следовательно ЭДС генератора, замедляет снижение мощности, перемещая рабочую точку на характеристики мощности, соответствующие большим ЭДС (точки c,d). В точке e избыток мощности исчезает, но инерция ротора вызывает дальнейшее увеличение угла. В точке f угол становится максимальным, после чего начинает уменьшаться. После того как будет пройдена точка g, лежащая на верхней характеристике, регулятор начнет уменьшать напряжение возбудителя и кривая изменения мощности в обратном направлении. Таким образом, в силу внутренней неустойчивости возникают незатухающие колебания угла δ. Амплитуда этих колебаний зависит от ширины зоны нечувствительности регулятора, вместе с углом колеблются напряжение, мощность и ток генератора. Эти колебания затрудняют контроль за работой генератора и заставляют от его эксплуатации в подобных режимах.

Обеспечить устойчивую работу генератора во всех точках, соответствующим углам δ>90⁰, позволяет усложнение системы регулирования возбуждения, которая должна реагировать не только на изменение напряжения, но и на скорость и даже ускорение изменения напряжения. Такие регуляторы называются регуляторами сильного действия.

Регуляторы сильного действия обеспечивают постоянство напряжения на шинах генератора (без риска самораскачивания), поэтому генератор, снабженный такими регуляторами, может быть представлен в расчетах статической устойчивости напряжением на своих зажимах (U_G=const) и x_G=0.

Литература:

1. О. Д. Гольдберг, С. П. Хелемска - “Электромеханика”(Москва, издательский центр “Аадемия”),2007г.

2. Кацман М.М.,”Электрические машины”,М., 1990г.