Что такое перевозбуждение генератора

Недовозбуждение

Дата добавления: 2014-03-26 ; просмотров: 7722 ; Нарушение авторских прав

Перевозбуждение

Как видно из диаграммы, в режиме перевозбуждения ток генератора опережает напряжение сети на угол 90º, т.е. по отношению к сети является емкостным.

Как видно из диаграммы, в режиме недовозбуждения ток генератора отстает от напряжения сети на угол 90º, т.е. по отношению к сети является индуктивным.

Следовательно, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока якоря, т.е. изменяется реактивная мощность.

Таким образом, при регулировании тока возбуждения можно изменять . Обычно синхронный генератор эксплуатируют в режиме перевозбуждения, т.к. при этом он генерирует реактивную мощность.

Зависимость тока генератора от тока возбуждения называется U образной характеристикой.

28. Электромагнитный момент синхронной машины

В синхронных машинах большой и средней мощности потери мощности в обмотке якоря малы по сравнению с электрической мощностью Р, отдаваемой или потребляемой обмоткой якоря. Следовательно, если пренебречь величиной ΔР_аэл, то можно считать что электромагнитная мощность машины Р_эм = Р.

Электромагнитный момент пропорционален мощности Р_эм, поэтому для неявнополюсной и явнополюсной машин соответственно:

,

где θ – угол между векторами МДС статора и ротора.

Зависимость момента на валу синхронной машины от угла θ называют угловой характеристикой.

При неявнополюсной машине зависимость представляет собой синусоиду, симметричную относительно осей координат.

В явнополюсной машине угловая характеристика несколько отличается от синусоиды из-за наличия реактивного момента, возникающего вследствие неодинаковой магнитной проводимости по продольной и поперечной осям.

29. Устойчивость работы синхронной машины

Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение при изменении внешнего момента на валу.

Устойчивость работы синхронной машины зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения увеличивается ЭДС Е₀, а следовательно и максимальный момент, что увеличивает устойчивость машины.

Обычно синхронные машины работают с некоторым перевозбуждением. Это позволяет увеличить перегрузочную способность машины и генерировать реактивную мощность, т.е. компенсировать реактивную мощность других потребителей, уменьшая нагрузку на энергосистему.

30. Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т.е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения.

Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронный.

В настоящее время чаще всего применяют следующие способы пуска:

При этом способе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготавливают из латуни. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, на обмотку возбуждения подается напряжение и постоянный ток, проходящий по ней, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

2. Пуск при помощи вспомогательного двигателя.

Ротор возбужденного двигателя приводится во вращение до синхронной скорости и с помощью синхронизирующего устройства подключается к сети. После этого вспомогательный двигатель отключают.

В качестве пускового двигателя обычно используют асинхронный двигатель с числом полюсов на два меньше, чем у синхронного.

Недостатком данного способа является невозможность пуска двигателя под нагрузкой, так как нерационально иметь пусковой двигатель большой мощности.

При частотном пуске синхронного двигателя частота питающего напряжения плавно изменяется от нуля до номинальной. При этом ротор вращается синхронно с магнитным полем статора.

Недостатками частотного пуска являются высокая стоимость преобразователя частоты, а также необходимость реализации сложных законов регулирования исходного напряжения и частоты в процессе разгона двигателя. Частотный пуск синхронных двигателей применяется в приводах специальных установок.

31. Достоинства и недостатки синхронных двигателей

Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

1. Возможность работы при cos φ=1; это приводит к улучшению cos φ сети, а также к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций.

Источник

Нормальный режим работы генераторов, недовозбуждение, перевозбуждение

Под нормальным режимом работы подразумевается такой режим, в котором Г может длительно работать без ограничений. Это, например, номинальный режим, при этом все параметры номинальные, и температуры обмоток ротора, статора, стали статора не выходят за допустимые нормированные пределы:

При номинальных параметрах генератор может работать в течение всего срока службы.

К нормальным режимам относятся также режимы с неполной (частичной) нагрузкой и изменяющейся нагрузкой при условии, что в процессе изменения основные параметры Г не выходят за допустимые пределы.

Изменение активной нагрузки производят за счет турбины, изменяя впуск рабочего тела, изменение реактивной нагрузки — изменяя ток возбуждения. Режим считается неизменным, если параметры изменились в следующих пределах: J обм считается неизменной, если изменилась на 1* в течение часа, *охл. ср –на 1* в час для газа, на 1,5* в час для жидкости, *U и *I — на *3*, *iвозб, *f – на * 1%. Отклонения возможны в процессе эксплуатации и большие: меняется нагрузка, изменяются условия охлаждения, меняется U и f в сети. При этом необходимо ответить на вопрос, какие режимы являются нормальными, длительно допустимыми.

Одновременно могут меняться ряд параметров. Примем сначала для анализа, что *охл, U, f =const, рассмотрим изменение только активной и реактивной нагрузки, cos*. Для этого построим диаграмму мощности ненасыщенного генератора (xd =const).

Способ построения диаграммы будет ясен из вспомогательной диаграммы (рис.1).

Так как Uг =const, xd =const, то можно умножить все векторы этой диаграммы на величину Uг / xd.

Достроим треугольник НОА (рис.2) до прямоугольного, получим АС=I*U*cos * =Р активная мощность генератора, ОC реактивная мощность генератора, также из диаграммы можем получить другие известные выражения для активной и реактивной мощности Г через угол d

За счет снижения Р, получили большее значение Q. Однако при этом ЭДС генератора больше номинального значения, ток возбуждения должен быть больше номинального, что недопустимо по условиям нагрева обмотки возбуждения. Проведем окружность радиусом НА, которая будет ограничивать режим работы генератора в области cosj Qном, за счет P

Помимо этого на участке АВ и дальше возникают ограничения электромагнитного характера, связанные с величиной местных потерь и местного нагрева зоны лобовых частей обмоток статора и ротора, крайних пакетов активной стали статора. Этот дополнительный нагрев обусловлен повышенной результирующей индукцией в торцевых зонах, что объясняется слабой магнитной связью обмоток ротора и статора в этих зонах и недостаточной компенсацией потока реакции статора потоком ротора. Магнитная связь этих обмоток здесь слабее, потому что поля, образованные лобовыми частями обмоток статора и ротора в торцевых зонах, вынуждены замыкаться по путям, проходящим большей частью по воздуху.

Рассмотрим режим с недовозбуждением: выдачи активной мощности в сеть и потребления реактивной мощности.

Использование Г в этом режиме, в режиме потребления реактивной мощности, вызывается необходимостью снижения напряжения в сети, например, при малой нагрузке электростанции, связанной с ЛЭП высокого напряжения, когда из-за большой зарядной мощности ЛЭП напряжение на шинах станции чрезмерно высоко. Для его снижения приходится снижать ток в обмотке возбуждения. При этом условия для крайних пакетов активной стали становятся весьма неблагоприятными. Для уменьшения нагрева нагрузку приходится снижать. На диаграмме мощности участок, ограниченный нагревом, обозначен буквами BG и B1G1. Как получают эту часть характеристики?

Интенсивность результирующего магнитного поля и уровень нагрева крайних пакетов зависит от конструктивного выполнения торцевых зон, от типа генератора. Ограничения определяются экспериментально для каждого типа генератора. Например, ТГВ-2000 не допускает работу в режиме потребления реактивной мощности при активной нагрузке, составляющей 95% номинальной и выше.

В устройстве АРВ необходимо иметь специальный элемент, ограничивающий минимальный ток возбуждения.

Диаграмма мощности Г дает представление о допустимых режимах работы Г. На практике пользуются, однако, картой допустимых нагрузок, они составлены для каждого типа Г на основании специальных испытаний. В карте также оценивается влияние на режим работы Г изменения U, f, параметров охлаждающей среды.

Источник

Режимы работы синхронных генераторов

Под нормальными режимами генераторов понимают такие, при ко­торых они могут длительно работать без ограничений.

К таким режимам относят:

— режимы с неполной (частичной) нагрузкой и режимы с изменяющейся (регулируемой) нагрузкой при условии, что в процессе изменения основные параметры не отклоняются за пределы допустимых.

Основными параметрами электрического генератора являются:

При длительном установившемся режиме все указанные параметру должны поддерживаться неизменными. В практике эксплуатации допускается отклонение параметров в некоторых пределах. Согласно ПТЭ номинальная мощность генераторов при номинальном коэффициенте мощности и номинальная мощность синхронных компенсаторов должна сохраняться при одновременных отклонениях напряжения до ±5 % и частоты до ±2,5 % номинальных значений при условии, что при работе с повышенным напряжением и пониженной частотой сумма абсолютных значений отклонений напряжения и частоты не превышает 6 %, если в стандартах на отдельные типы машин не оговорены иные условия по отклонению напряжения и частоты.

Наибольший ток ротора, полученный при работе с номинальной мощностью и при отклонениях напряжения в пределах ±5 %, длительно допустим при работе с номинальными параметрами охлаждающих сред.

Для всех генераторов и синхронных компенсаторов наибольшее рабочее напряжение должно быть не выше 110 % номинального. При напряжении выше 105 % допустимая полная мощность генератора и синхронного компенсатора должна быть установлена в соответствии с указаниями инструкций завода-изготовителя или по результатам испытаний.

При напряжении на генераторе или синхронном компенсаторе ниже 95 % номинального, ток статора должен быть не выше 105 % длительно допустимого.

Температура меди и стали статора считается неизменной, если ее отклонения не превышают 1 °С в течение 1 часа. Температура охлаждающей среды считается постоянной, если для газа она отклоняется не более 1 °С за I час, и 0,5 °С за 1 час для жидкости.

Допустимый диапазон изменения нагрузок генератора удобно находить из диаграммы мощностей для ненасыщенного генератора (рис. 4.6), построение которой основано на диаграммах ЭДС и токов возбуждения синхронного генератора (рис. 4.7). Векторы мощностей получены умножением векторов напряжений на ток статора.

Вектор ОА — полная мощность машины (S), проекция на ось ординат — активная её составляющая при cos φ_н(Р_н). Проекция ОА на ось абсцисс — номинальная реактивная мощность Q_н.

Рис.4.6. Диаграмма мощностей синхронного генератора

Рис. 4.7. Векторные диаграммы ЭДС и токов возбуждения

Эти номинальные значения P_н и Q_н генератор должен развивать в течение ресурса при номинальных условиях охлаждения (температуре газа, масла, дистиллята на входе и выходе, давлении и чистоте водорода).

Чистота водорода хуже 97 % приводит к уменьшению теплоотводящей способности, а при чистоте 75 % возникает опасность образования взры­воопасной смеси.

Напряжение генератора должно быть практически симметричным и синусоидальным, т.е. напряжение обратной последовательности не должно превышать значения 1 %,а коэффициент не синусоидальности (Д) не должен превышать 5 %.

,

где U₁ — напряжение основной частоты; U_y — напряжение частоты (гармоник) y-порядка.

Отклонения напряжения статора допускаются в пределах ± 5 % при этом генератор должен длительно работать с полной мощностью, при этом при 95 % напряжения повышается ток статора, а при 105 % ток ротора.

Повышение напряжения статора сверх 105 % опасно, так как из-за большого насыщения стали современных генераторов, даже незначительное повышение напряжения приводит к возрастанию магнитной индукции, увеличению в несколько раз потоков рассеяния и появлению в ребрах корпуса паразитных токов, приводящих к их перегреву и даже оплавлению.

Влияние изменений частоты на потери и нагрев генераторов сказываются при больших ее отклонениях (>±2,5 %). При понижении частоты потери в стали уменьшаются, но ухудшается охлаждение водородом, повышается нагрев и приходится снижать мощность.

При повышении частоты растут потери в стали, но улучшаются условия охлаждения, поэтому только при значительных повышениях частоты (>2,5 %) возникла бы необходимость уменьшения мощности.

ПТЭ разрешают изменения частоты в нормальном режиме ±0,2 %, что не требует изменения нагрузки.

Значительное влияние на работу генератора оказывают изменения cos φ (рис. 4.6).

На участке окружности АД в режимах с пониженными cos φмашина, ограниченная током ротора, может выдавать лишь пониженную полную мощность при снижении тока статора из-за сильного размагничивающего влияния реакции статора. При учете насыщения эта мощность ещё уменьшается. Таким образом, в чисто компенсаторном режиме генератор способен развивать только около 70 % мощности.

При работе с повышенными cos φ(от номинального до 1,0), полная мощность ограничена турбиной (конец вектора OА будет перемещаться по прямой АВ). Если турбина способна повышать мощность сверх номинальной (например, типы КО, KОO), то границу мощности показывает участок окружности АА‘ диаграммы.

При работе в ёмкостном квадранте (влево от прямой OВ) активная мощность генератора ограничивается запасом в 10 % статической устойчивости его работы в области низких cosφ (кривая G’F) и нагревом крайних пакетов стали и элементов торцевых зон при недостаточной компенсации потока реакция статора потоком ротора (кривая GG‘).

Работа в режиме недовозбуждения практикуется в энергосистемах в часы провала нагрузок из-за избытка реактивной мощности в системе и невозможности кратковременных остановок генераторов. Такой режим осуществим только при автоматическом АРВ и соблюдении ограничений, выделенных на диаграмме кривыми GG‘ и G’F.

Согласно ПТЭ длительная работа генераторов с коэффициентом мощности ниже номинального и в режиме синхронного компенсатора с перевозбуждением (в индуктивном квадранте) разрешается при токе возбуждения не выше длительно допустимого при данных параметрах охлаждающих сред.

Допустимая реактивная нагрузка генераторов в режиме синхронного компенсатора и синхронных компенсаторов с недовозбуждением (в ёмкостном квадранте) должна быть установлена на основании заводских инструкций или нормативно-технических документов, а при их отсутствии на основании результатов специальных тепловых испытаний.

Разрешается длительная работа генераторов с косвенным охлаждением обмоток при повышении коэффициента мощности от номинального до единицы с сохранением номинального значения полной мощности.

При регулярной работе генератора в режиме недовозбуждения должно быть обеспечено автоматическое ограничение минимального тока возбуждения.

В практике эксплуатации пользуются не только диаграммами мощ­ности, но и картами допустимых нагрузок для конкретных машин в режимах перевозбуждения, позволяющими одновременно оценить влияние температуры охлаждающей среды, напряжения и cos φ (таблица 4.3).

Карта допустимых нагрузок для ТВФ-60-2

Как видно из таблицы 4.3, существенное значение в работе обмотки электрических машин и их изоляции имеет температура в процессе эксплуатации. Температура, зависит oт электрического pежима и от условий охлаждения.

Поэтому во время эксплуатации за этими параметрами ведется контроль. Температура обмотки и стали статора контролируется с помощью индикаторов, заложенных на заводе-изготовителе машин. Ранее для этих целей использовались термопары. Более современным является измерение температур с помощью заложенных в обмотки термосопротивлений (плоских медных или платиновых катушек), использование которых основано на известном физическом явлении зависимости сопротивления от температуры.

Термосопротивления закладываются между стержнями обмоток для измерения температуры меди обмоток и на дно пазов для измерения температуры активной стали. Для контроля температуры охлаждающего агента термосопротивления помещают в чехлы непосредственно в его потоке.

Величинутемпературы определяют по изменению тока, протекающего через термосопротивление от источника постоянного тока измеряемого устройством теплоконтроля. В настоящее время применяются автоматические устройства теплоконтроля, которые периодически опрашивают все контролируемые точки, регистрируют текущие температуры, выдают предупредительный сигнал при приближении к предельно допустимым значениям и аварийный при их достижении.

Аварийные и специальные режимы генераторов могут быть вызваны замыканиями во внешних или внутренних цепях, дефицитами мощности в системе, приводящими к набросу нагрузки, нарушениями в системе охлажде­ния обмоток и других вспомогательных систем.

К специальным режимам относят несимметричные и несинусоидальные нагрузка, также асинхронный режим при потере возбуждения.

Длительная перегрузка генераторов и синхронных компенсаторов по току сверх значения, допустимого при данных температуре и давлении охлаждающей среды, запрещается [32].

Кратковременные перегрузки в процессе эксплуатации машин возникают довольно часто и связаны с работой автоматики, форсировкой возбуждения и допускаются в достаточно широких пределах, согласно техническим условиям, установленным заводами-изготовителями. При отсутствии таких указаний допускаются следующие кратковременные перегрузки генераторов и синхронных компенсаторов по току статора при кратности тока, отнесённой к номинальному значению (табл. 4.4). Допустимая перегрузка по току возбуж­дения генераторов и синхронных компенсаторов с косвенным охлаждением обмоток определяется допустимой перегрузкой статора. Для турбогенераторов с непосредственным водородным или водяным охлаждением обмотки ротора допустимая перегрузка по току возбуждения должна быть определена кратностью тока, отнесённой к номинальному значению тока ротора (табл. 4.5).

Допустимые аварийные перегрузки установлены с учетом системы охлаждения машин, их конструктивных особенностей, электрических и механических свойств изоляция. Для генераторов с жидкостным охлаждением учитывается также не допустимость вскипания дистиллята или разложения масла при перегрузках. В роторной обмотке важно не допустить температурных перемещений меди, стали и изоляции, при которых могут возникнуть остаточные деформации или повреждение изоляции стержней.

Приведенные перегрузки рассмотрены как аварийные и ими нельзя, пользоваться ежедневно при прохождении максимумов нагрузки станций.

Допустимая длительность аварийной перегрузки статора

Допустимая длительность перегрузки ротора

Несимметричная нагрузка возникает при большом содержании в общей нагрузке однофазных приемников, режим которых приводит к перекосу по фазам.

ПТЭ разрешают длительную работу генераторов с неравенством фазных токов при условии, что ни один из токов не превысит Iн. статора.

Допускается длительная работа с разностью токов в фазах, не превышающей 12 % номинального для турбогенераторов и 20 % для синхронных компенсаторов и дизель-генераторов.

Для гидрогенераторов с системой косвенного воздушного охлаждения обмотки статора допускается разность токов в фазах 20 % при мощности 125 MBА и ниже, 15 % — при мощности свыше 125 MBА.

Для гидрогенераторов с непосредственным водяным охлаждением обмотки статора допускается разность токов в фазах 10%.

Если , а , то коэффициент несимметрии

.

При таком режиме в статоре возникают токи обратной последо­вательности, магнитное поле которых вращается относительно ротора с двойной угловой скоростью. Индуктируемые этим полем в контурах ротора вихревые токи двойной частоты вызывают дополнительный нагрев элементов ротора до опасных значений (зубцов, клиньев, бандажей).

Эти элементы подвержены нагреванию в основном возле торцевых зон, где они имеют повышенные сопротивления контактных поверхностей (рис. 4.8).

Рис.4.8. Изменение температуры нагрева ротора в торцевых зонах

Во многих случаях к системе подключены мощные преобразователи (тяга, электропередачи постоянного тока, электролизные ванны), выпрямители, инверторы которые имеют нелинейные характеристики и генерируют высшие гармоники тока и напряжения.

Причиной появления гармоник тока является процесс коммутации вентилей, вызывающий искажение кривой питающего напряжения, а также сдвиг фазы между питающим напряжением и током.

Гармоники тока вызывают повышенный нагрев оборудования, а гармоники напряжения увеличивают потери в стали и изоляции и могут нарушить работу цепей управления и релейной защиты.

Добавочные потери от высших гармоник тока в обмотке статора зависят от высоты проводников и глубины проникновения вихревых токов в толщу проводника.

Уменьшение мощности генератора из-за добавочного нагрева обмотки статора высшими гармониками тока определяется по добавочным потерям в меди обмотки статора:

,

где — потери в обмотке статора, определенные по сопротивление обмотки постоянному току; — добавочные потери от высших гармоник тока; — эффективное значение тока гармоники y–го порядка; — коэффициент вытеснения тока основной гармоники; — порядок гармоники.

Коэффициент снижения мощности из-за добавочного нагрева статора токами высших гармоник

.

Критерий допустимости несинусоидальной нагрузки по ротору имеет вид

_,

где — допустимый ток обратной последовательности.

Источник