Влияние несимметрии нагрузки на работу генератора

Токи прямой последовательности обеспечивают полезное преобразование энергии в синхронном генераторе.

Обмотку якоря в синхронных генераторах обычно соединяют в звезду, нулевую точку которой изолируют или заземляют через большое сопротивление. Поэтому токов нулевой последовательности нет совсем или они невелики и практически не влияют на работу машины.

Наиболее опасны для синхронных машин токи обратной последовательности, действие которых зависит от конструкции ротора.

Рассмотрим явнополюсную машину без демпферной обмотки.

Магнитный поток обратной последовательности якоря Ф_а2 вращается по отношению к ротору с двойной частотой 2n₁ и индуктирует в обмотке возбуждения ЭДС E_{f 2} и токи I_{f 2} частоты 2f₁(рисунок 1). Эти токи образуют пульсирующий с частотой 2f₁ магнитный поток ротора Ф_{f 2},который можно представить в виде суммы двух равных по величине магнитных потоков Ф^/_{f 2}=Ф^//_{f 2},вращающихся по отношению к ротору с частотой 2n₁ в противоположных направлениях. Составляющая поля ротора Ф^/_{f 2} вращается по отношению к статору с частотой n^/ = n₁ – 2n₁ = – n₁ в ту же сторону, что и поле обратной последовательности якоря Ф_а2.

Поэтому магнитный поток Ф^/_{f 2} частично компенсирует обратно синхронный поток якоря Ф_a2.

Магнитный поток Ф^//_{f 2}вращается поотношению к статору с частотой n^// = n₁ + 2n₁ = 3n₁ и индуктирует в обмотке статора ЭДС Е₃ тройной частоты 3f₁. Если обмотка статора включена в электрическую систему с большим сопротивлением, то ЭДС Е₃искажает форму напряжения генератора. При малом сопротивлении системы в обмотке якоря появятся токи тройной частоты 3f₁, искажающие форму кривой тока генератора.

Обратно синхронный поток якоря Ф_a2 перемагничивает магнитопровод ротора с двойной частотой 2f₁.

Вследствие этого при несимметричных режимах в стали ротора выделяются добавочные магнитные потери. Индуктированные в обмотке возбуждения токи I_{f 2} создают дополнительные потери мощности в обмотке возбуждения, что может привести к сильному нагреву обмотки и сокращению срока службы или повреждению ее изоляции. Все это снижает КПД и надежность работы машины.

Работа синхронных генераторов в несимметричных режимах улучшается при наличии на роторе демпферной обмотки или массивных полюсов, а также при массивном как у турбогенераторов роторе.

В таких машинах индуктированные в демпферной обмотке или в массиве ротора токи вытесняют обратно синхронный поток якоря Ф_a2 из магнитопровода ротора. Вследствие этого лишь малая часть потока Ф_a2 проникает в ротор и сцеплена с обмоткой возбуждения. Индуктированные в обмотке возбуждения токи I _{f 2} незначительны и искажение формы кривых напряжения или тока практически не наблюдается. Особенно эффективно влияет на форму напряжения или тока генератора применение полной (продольно-поперечной) демпферной обмотки. У такой обмотки короткозамыкающие сегменты соседних полюсов соединены проводящими перемычками, за счет чего демпфирующий эффект по продольной и поперечной осям ротора для обратно синхронного поля якоря примерно одинаков.

Токи, индуктированные в демпферной обмотке явнополюсных машин потоком Ф_a2, могут привести к недопустимому нагреву и повреждению обмотки при значительной несимметрии токов якоря. Нагрев демпферной обмотки практически не влияет на температуру обмотки возбуждения, так как расстояние между этими обмотками достаточно велико, а условия охлаждения обмотки возбуждения лучше, чем демпферной.

Вследствие малой величины индуктированных потоком Ф_a2 в обмотке возбуждения токов I _{f 2}, потери мощности от этих токов также малы. Поэтому в явнополюсных машинах с демпферной обмоткой дополнительный нагрев обмотки возбуждения обратно синхронным полем якоря невелик.

В массивном роторе турбогенераторов поток Ф_a2 индуктирует вихревые токи частоты 2f₁. Вследствие сильного поверхностного эффекта потери от вихревых токов выделяются в тонком слое поверхности ротора. Высокая концентрация потерь вызывает нагрев ротора, что может привести к перегреву и повреждениюизоляцииобмотки возбуждения, условия охлаждения которой обычно хуже, чем в явнополюсных машинах. Тепловые деформации ротора могут вызвать механическое повреждение изоляции и проводников обмотки возбуждения.

В результате взаимодействия вращающихся с разными частотами магнитных полей якоря и замкнутых контуров ротора на статор и ротор действуют знакопеременные моменты и силы, изменяющиеся с частотой 2f₁. Они вызывают шумы и вибрацию частей машины, которые при длительном воздействии могут привести к механическому разрушению креплений сердечника статора и межполюсных соединений ротора.

Поэтому несимметрия токов статора ограничена нагревом ротора и уровнем вибраций машины, обусловленных действием токов обратной по-следовательности. Допустима длительная несимметрия нагрузки гидрогенераторов с косвенным воздушным охлаждением мощностью: менее 125 МВ·А до 20 %; 125 МВ·А и выше до 15 %; с непосредственным водяным охлаждением до 10 % номинального тока. Продолжительная работа турбогенераторов допускается, если ток обратной последовательности не превышает 8 % номинального тока якоря. Для всех генераторов в несимметри-ных режимах ток в фазах не должен превышать номинальных значений.