Д) Допустимые значения тока обратной последовательности

Токи нулевой последовательности в значительно меньшей степени влияют на условия работы синхронной машины, чем токи обратной последовательности. Поэтому приходится считаться главным образом с влиянием последних.

Выясним допустимое значение тока обратной последовательности, во-первых, в отношении нарушения симметрии линейных напряжений и, во-вторых, в отношении нагревания ротора.

Рассмотрим первое. При несимметричной нагрузке линейные напряжения состоят из напряжений прямой и обратной последовательностей, причем напряжение обратной последовательности согласно предыдущему равно: .

Можно приближенно принять z ₂ = x ₂; тогда, считая, что напряжение прямой последовательности U ₁, равно номинальному напряжению генератора U _н, будем иметь:

.

Выражая сопротивление x ₂ в относительных единицах , получим:

где — коэффициент несимметрии напряжений.

Если принять максимальное допустимое значение этого коэффициента равным 0,05, то (Ранее указывалось, что длительная работа трехфазных асинхронных двигателей даже при U ₂/ U ₁ = 0,05 может представлять для них опасность (см. § 3-21, в).)

Для явнополюсных генераторов без успокоительной обмотки обычные значения = 0,35 0,65; следовательно, для таких генераторов получим:

Для генераторов с достаточно совершенной продольно-поперечной успокоительной обмоткой (к ним можно отнести и турбогенераторы) = 0,15 0,25; следовательно, будем иметь:

Обращаясь теперь к вопросу о допустимом токе обратной последовательности в отношении нагревания ротора, отметим прежде всего, что допустимое его значение будет зависеть от длительности режима работы при этом токе.

Особенно чувствительными к потерям, вызванным обратно вращающимся полем, являются турбогенераторы, не имеющие отдельных успокоительных обмоток. Роторы современных больших турбогенераторов из условий допустимой окружной скорости приходится выполнять с ограниченным диаметром, что заставляет брать относительно высокую плотность тока для проводников обмотки возбуждения, так как только в этом случае размеры проводников позволяют уложить их в пазы ротора. Следовательно, учитывая повышенные потери в обмотках возбуждения, а также плохие условия ее охлаждения, нужно считать, что ротор в отношении теплового режима является весьма напряженной частью турбогенератора и что излишние потери в нем для него опасны. Вопрос о допустимом значении тока обратной последовательности для турбогенератора в отношении нагрева должен разрешаться опытным путем.

Если имеется в виду несимметричная нагрузка, то явнополюсную машину следует снабдить успокоительной обмоткой для уменьшения обратно вращающегося поля. Успокоительная обмотка должна быть так рассчитана, чтобы возникающие в ней потери не могли повысить нагревание ее и ротора сверх допустимых пределов. При отсутствии успокоительной обмотки возникает периодически изменяющийся момент из-за взаимодействия непостоянного обратного поля и токов статора, что может привести к заметным вибрациям машины.

4-5. Однофазный синхронный генератор

Однофазные синхронные машины по сравнению с трехфазными имеют ряд недостатков. К основным из них нужно отнести большие размеры и большую стоимость при одной и той же мощности. Поэтому на практике однофазные синхронные машины применяются крайне редко. В настоящее время во многих случаях, когда необходим однофазный ток, его берут от трехфазных линий.

По устройству однофазные машины отличаются от трехфазных лишь выполнением обмотки статора. В однофазных машинах обмотка занимает обычно не свыше 80% окружности статора, так как полное использование окружности статора при большей затрате меди и изоляционных материалов дает только небольшое увеличение напряжения на зажимах машины.

Действительно, если рассмотреть, например, образование однофазной обмотки из трехфазной, то при использовании 2/3 окружности (рис. 4-47, а) получим э.д.с., равную ; при использовании же всей окружности (рис. 4-47, 6 и в) получим э.д.с., равную 2 Е, т. е. при затрате меди и изоляционных материалов на 50% больше, чем в первом случае, увеличение э.д.с. составит лишь около 15,6%.

Рис 4-47. Образование однофазной обмотки из трехфазной.

Выясним вначале, какую мощность может давать трехфазная машина, используемая в качестве однофазной (по рис. 4-47, а), если она будет работать с тем же магнитным потоком в воздушном зазоре и с тем же током в обмотке статора, что и при работе в качестве трехфазной. Последнее условие в отношении тока можно принять для высоковольтных машин, где из-за сравнительно толстого слоя изоляции затруднена передача тепла от меди к стенкам пазов или в воздух.

В этом случае мощность однофазной машины будет равна , а мощность трехфазной машины 3 EI. Следовательно, мощность однофазной машины будет составлять только от мощности трехфазной машины.

Если допустить при работе однофазной машины те же потери в обмотке статора, что и при работе трехфазной машины, полагая, что тепло от меди хорошо передается через изоляцию стальным листам статора, то ток однофазной машины I ₁ может быть взят, очевидно, большим, чем ток трехфазной машины I ₃. Но и при этих условиях мощность однофазной машины получается меньше мощности трехфазной машины. Действительно, так как было принято, что

, то ;

следовательно, мощность однофазной машины составляет:

от мощности трехфазной машины.

Учитывая также потери в роторе, вызванные обратно вращающимся полем, мощность однофазного генератора при тех же размерах, что и для трехфазного, приходится брать не выше примерно 60% от мощности последнего.

Работа однофазного генератора, имеющего обмотку на статоре, расположенную на 2/3 его окружности, может быть исследована при помощи метода симметричных составляющих, так как его работу можно рассматривать как частный случай работы трехфазного генератора при несимметричной нагрузке, когда она присоединена только к двум зажимам.

Следует иметь в виду, что в однофазном генераторе обратная н.с. имеет большое значение, так как здесь токи обратной последовательности равны токам прямой последовательности. Поэтому, чтобы ослабить ее вредное действие, необходимо ротор машины снабдить достаточно мощной успокоительной обмоткой, выполненной из стержней большого сечения; только в этом случае можно получить удовлетворительные условия для работы однофазной машины.

4-6. Несимметричные короткие замыкания

При исследовании несимметричных коротких замыканий мы будем пользоваться методом симметричных составляющих. На основе этого метода можно составить уравнения напряжений и токов, которые позволят определить установившиеся токи при несимметричных коротких замыканиях, если известны э.д.с. E ₀ и параметры машины х ₁, х ₂, х ₀, причем сопротивление x ₁ = x_d = x_ad + x _σ.

При определении токов короткого замыкания на зажимах машины может быть использовано ненасыщенное значение x_d и э.д.с. E ₀ по спрямленной характеристике холостого хода. Кроме того, почти всегда в практических случаях можно пренебрегать активными сопротивлениями r ₁, r ₂, r ₀. Для общности в уравнениях будем брать полные сопротивления: Z ₁ = r ₁ + jx ₁; ; .