Рабочие режимы работы.
Под рабочими режимами работы генератора подразумевают такие режимы, в которых он может работать длительное время. К ним относятся режимы работы машин с различными нагрузками от минимально возможной по технологическим условиям до допустимой по условию нагрева, а также режимы с переменной регулируемой нагрузкой при условии, что в процессе изменения нагрузки основные параметры генератора не отклоняются за допустимые пределы.
Основными параметрами генератора являются полная мощность S, напряжение U и ток I статора, ток ротора I, в коэффициент мощности cos?, частота f, температура t охлаждения и давление p охлаждения, охлаждающей среды.
Допустимые границы отклонения параметров при рабочих режимах лимитируются нагревом различных частей синхронных машин (обмоток статора и ротора, конструктивных элементов и т.д.) и указываются в ГОСТ, ПТЭ и в инструкциях заводов изготовителей.
Для определения диапазона изменения нагрузок генераторов используют диаграммы мощностей, которые получают из векторных диаграмм напряжений путем умножения векторов напряжений на величину U/xd.
Вектор ОА на диаграмме мощностей представляет собой полную мощность машины, его проекция на ось ординат - активную, а проекция на ось абсцисс -реактивную составляющую полной мощности.
Номинальный режим.
Номинальный режим генератора, это такой режим, при котором он развивает номинальную мощность и в нормальных условиях должен работать в течение установленного заводом изготовителем срока службы. Под нормальными условиями здесь понимается, прежде всего, соблюдение расчетных условий охлаждения машины, поскольку длительность установившегося режима работы генератора ограничивается главным образом его нагревом. Номинальный режим характеризуется номинальными параметрами: активной мощностью P ном, напряжением U ном, коэффициентом мощности cos? ном, частотой f ном и температурой охлаждающего газа на выходе ?o
При длительном установившемся номинальном режиме все основные параметры должны поддерживаться практически неизменными. Параметры считаются практически неизменными в том случае, если их изменения, неизбежные в эксплуатации, находятся в заданных пределах отклонений, практически не влияющих на режим генератора. Например, нагрузка генератора считается неизменной, если отклонения токов и напряжений статора от установившегося значения находятся в пределах ±3%, а отклонения тока возбуждения и частоты - в пределах ±1%. Температуру меди и стали генератора считают неизменной, если ее отклонения от установившегося значения не превышаю 1°С в течение 1ч. Температура охлаждающей среды также, чтобы считаться неизменной, не должна отклоняться более чем на 1°С за 1ч для газа и на 0,5°С за 1ч для жидкости.
В электрической системе постоянно происходят различные изменения - в первую очередь это изменения нагрузки и как следствие изменения напряжения, частоты, коэффициента мощности и т.д. Кроме того, постоянно изменяются внешние условия, от которых зависит режим работы генераторов. К ним относятся, прежде всего, условия охлаждения (в частности, температура охлаждающей воды, которая подается в теплообменники для отвода тепла, обусловленного потерями в генераторе). Поэтому обычно генератор работает в режимах, отличных от номинального, но в рамках нормального режима.
Под нормальным режимом генератора подразумевают такой режим, в котором он может работать без ограничения по времени. К нормальному следует отнести режимы работы машин с различными нагрузками от минимально возможной по технологическим условиям до номинальной (указанной на щитке генератора), а также режимы с переменной регулируемой нагрузкой при условии, что основные параметры генератора не превысят номинальных значений.
Температура входящей в газоохладитель воды и выходящего из него газа (воздуха или водорода), а также -- в случае непосредственного охлаждения -- температура охлаждающей жидкости (дистиллята или масла) должна соответствовать нормам (у дистиллята 33, у масла 40°С). Также должны соответствовать заводским требованиям избыточное давление водорода и его чистота (98%). При отклонении температуры и давления охлаждающей среды в сторону ухудшения охлаждения длительно допустимые токи статора и ротора должны быть уменьшены настолько, чтобы тепловой режим генератора остался неизменным, а температура его отдельных элементов практически сохранила свое установившееся значение.
Напряжение генератора должно быть практически симметричным и синусоидальным. Это значит, что напряжение обратной последовательности не должно превышать 1%, а коэффициент синусоидальности -- 5%. Отклонения напряжения статора допускается в пределах ±5%. При этом генератор должен длительно работать с полной номинальной мощностью, хотя для достижения этой мощности при 95% напряжения повышается ток статора, а при 105% -- соответственно ток ротора.
Допустимость понижения напряжения больше, чем на 5% обязательно проверяется с точки зрения устойчивости. Если при этом генератор будет обладать достаточным запасом устойчивости (не менее 10%), то все равно мощность его должна быть снижена, поскольку ток статора по условиям нагрева обмотки статора не следует повышать сверх 105% номинального. Повышение напряжения сверх 105% опасно. Иначе, вследствие насыщения стали, в современных генераторах даже незначительный подъем напряжения выше допустимого приводит к возрастанию магнитной индукции, резкому (в несколько раз) увеличению потоков рассеяния и появлению в ребрах корпуса генератора и в других конструктивных элементах очень больших паразитных токов, вызывающих дополнительный нагрев и даже оплавление этих элементов. Вследствие этого нагрузка генератора при повышении напряжения сверх 105% должна понижаться. Некоторые типы генераторов допускают сохранение полной нагрузки при изменении напряжения до 110%. Однако, эта возможность должна быть обязательно проверена специальными испытаниями на дополнительные потери в роторе и статоре и на нагрев активной стали. До таких испытаний рекомендуется изменять нагрузку генератора при отклонениях напряжения в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.
Влияние изменений частоты на потери и нагрев генератора сказываются лишь при значительных отклонениях частоты от нормы (больше ±2,5%). При понижении частоты потери в стали уменьшаются.
Но одновременно с этим снижается и частота вращения ротора, снижается эффективность вентиляции и, как следствие, ухудшается охлаждение водородом, что может привести к необходимости понижения мощности генератора из-за повышения нагрева. При повышении частоты растут потери в стали, но одновременно улучшаются условия охлаждения, поэтому только при значительных повышениях частоты (2…3%) возникла бы необходимость уменьшения мощности машины. Так как изменения частоты, нормально допускаемые в эксплуатации, не должны превосходить ±2% по «Правилам технической эксплуатации» (ПТЭ), уменьшения нагрузки генераторов при этих отклонениях не требуется.
4. Допустимые перегрузки генераторов
В аварийных условиях синхронные генераторы разрешается кратковременно перегружать по токам статора и ротора согласно ТУ на поставку, а если в ТУ такие указания отсутствуют, то кратность перегрузки по току статора, отнесенному к номинальному току, определяется по табл. Длительность перегрузок генераторов при авариях в энергосистеме ограничивается недопустимостью перегрева обмоток по условию сохранения электрических и механических свойств изоляции; превышением температуры меди обмотки и бочки ротора, не вызывающим еще остаточных деформаций витков; недопустимостью закипания дистиллята в обмотке.
Для обеспечения надежной работы синхронных генераторов используются автоматические регуляторы напряжения. Современные устройства разрабатываются на основании потребностей рынка, маркетинговых исследований и сведений о их практическом применении. Благодаря широкому ассортименту продукции, представленному на рынке, есть возможность выбрать одно- и трехфазные регуляторы напряжения с заданными техническими характеристиками. Устройства оснащены регулирующими выпрямителями, которые защищают от нештатных ситуаций, снижают риск возникновения перегрузок и способны автоматически отключать установки. Все стабилизирующие устройства изготавливаются в соответствии с требованиями мировых стандартов безопасности и качества.
Одним из самых известных на сегодняшний день автоматических регуляторов напряжения является AVR, который был специально разработан для синхронных генераторов.
5. Несимметричные режимы работы генераторов
Несимметричный режим, характеризующийся неравенством токов в фазах обмотки статора генератора, вызывается наличием мощных однофазных нагрузок, например: однофазных печей, электротяговых нагрузок, или возникает при обрыве провода линии электропередачи, а также ошиновки ОРУ, при отключении или неотключении одной фазы выключателя с по фазным управлением, при работе генератора через неполно фазную трансформаторную группу и при несимметричных КЗ.
При несимметричном режиме в токе статора появляется составляющая обратной последовательности, которая вызывает магнитный поток, вращающийся относительно ротора с двойной угловой частотой. Этот поток наводит в бочке ротора токи двойной частоты, вызывающие дополнительные потери в элементах ротора и их нагрев
Асинхронные режимы работы генераторов.
При потере возбуждения из-за неисправности возбудителя, расцепления полумуфт между ротором и возбудителем, обрыва в цепи ротора, случайного отключения АГП и по любой другой причине генератор переходит в асинхронный режим. При этом по мере снижения магнитного потока, создававшегося до этого, током в обмотке ротора, генератор начинает потреблять реактивную мощность из сети. Равновесие между уменьшающимся до нуля синхронным электромагнитным моментом и вращающим моментом турбины нарушается, и частота вращения генератора начинает возрастать сверх синхронной. Под воздействием магнитного поля от тока статора, в зубцах и клиньях ротора и в его обмотке, если она остается замкнутой на возбудитель, или замкнется на резистор самосинхронизации, появятся токи с частотой скольжения. Магнитный поток от этих токов, взаимодействуя с магнитным полем статора, создает тормозящий асинхронный момент, что обеспечивает выдачу генератором активной мощности в сеть при асинхронном режиме. Асинхронный тормозящий момент с увеличением скольжения ротора возрастает. Когда он станет равным вращающему моменту турбины, дальнейшее повышение скольжения прекратится. Наступит установившийся асинхронный режим.
Реагируя на увеличение частоты вращения, регулятор частоты вращения турбины сокращает поступление пара (воды) и тем самым уменьшает активную мощность. Поэтому; как правило, в результате потери возбуждения активная мощность на генераторе снижается.
Характеристики генератора.
О свойствах синхронного генератора (СГ) судят по его характеристикам:
1. Характеристика холостого хода: E(Iв) при I=0 и при n= nном.
При Iв=0 остаточным магнитным потоком наводится небольшая ЭДС Eх.
При (т.к.). Наступает насыщение магнитопровода - излом кривой. Точка (Uном, Iв ном) расположена до насыщения - так проектируют СГ.
2. Внешняя характеристика: U(I) при Iв = Iв ном; cos=const; n= nном.
При I =0 U= U0. С ростом тока I при активной нагрузке напряжение U падает.
Изменение напряжения происходит в основном из-за реакции якоря. Если нагрузка активная, то поток изменяется незначительно.
При активно-индуктивной нагрузке реакция якоря - продольно-размагничивающая. Поток изменяется значительно, что приводит к сильному изменению напряжения. При активно-емкостной нагрузке реакция якоря будет продольно-намагничивающая, поток будет возрастать, что приводит к небольшому увеличению напряжения. Стабилизация напряжения достигается регулированием тока возбуждения.
3. Регулировочная характеристика: Iв (I) при U =const; cos=const; n= nном. U= Uном.Эта характеристика показывает, как надо регулировать ток возбуждения при изменении нагрузки СГ, чтобы напряжение на его зажимах оставалось неизменным (искусственная характеристика). Обычно регулировка напряжения, для того, чтобы U =const оставалось неизменным при изменении нагрузки I, осуществляется автоматически по схеме, где ТТ - трансформатор тока; Т - понижающий трансформатор.
Принцип регулирования: при увеличении нагрузки I напряжение U падает (по внешней характеристике), но при этом ток Iу возрастает, что приводит к увеличению тока возбудителя Iв и к увеличению магнитного потока, ЭДС и напряжения U.
6. Параллельная работа Синхронного генератора
При параллельной работе на одну линию включается несколько генераторов. Включение СГ в сеть. Для безаварийного включения СГ в сеть необходимо, чтобы:
1) ЭДС, вырабатываемая СГ равнялась напряжению сети, и в момент включения находилась в противофазе к этому напряжению. В противном случае возникнет уравнительный ток. Регулировка ЭДС E производится током возбуждения.
2) Частота СГ равнялась частоте сети. Регулировать при этом нужно скорость вращения СГ. 3) Чередование фаз СГ и сети соответствовали друг другу. Иначе возникнет КЗ. 4) Форма ЭДС СГ и форма напряжения сети были одинаковыми - синусоидальными. Регулирование активной мощности мы уже рассматривали. Любое изменение активной мощности при неизменной ЭДС E0 возможно при изменении угла. Регулируется первичным приводным двигателем. Чтобы осуществить перевод части нагрузки с одного СГ на другой, следует уменьшить вращающийся момент первичного двигателя СГ и увеличить момент для второго. Тогда после перераспределения генераторы будут работать с постоянной частотой. Иначе изменится частота вращения всех агрегатов, напряжение и частота тока в сети.
Список литературы
1. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины ч.1, ч.2, 1987 г.
2. Вольдек А.И. Электрические машины 1978 г.
3. Копылов И.П. Электрические машины 1986 г.
4. Токарев Б.Ф. Электрические машины 1990 г.
5. Кацман М.М. Электрические машины 2000 г.