В синхронной машине, так же как и в любой
другой электрической машине, при переходе от одного установившегося режима
работы к другому возникает ряд явлений, изучение которых имеет важное
значение, так как на практике с ними часто приходится иметь дело. Эти
явления переходного процесса возникают вследствие изменения энергии
магнитных полей машины, а также вследствие изменения кинетической энергии
ее вращающихся частей.
Изменение кинетической энергии вызывается
нарушением равновесия вращающих моментов, действующих на ротор машины.
Возникающие при этом переходные процессы, если машина работает параллельно
с другими синхронными машинами, характеризуются колебаниями частоты
вращения около синхронной. Эти колебания («качания») синхронной машины
будут рассмотрены в следующем § 4-12.
Мы здесь рассмотрим главным образом
переходные процессы, которые обусловлены изменением энергии магнитных
полей. Они возникают при всяком нарушении режима работы синхронной машины
и особенно резко проявляются при внезапном коротком замыкании обмотки
статора. В этом случае в обмотках статора и ротора возникают очень большие
токи, во много раз превышающие их номинальные значения. Такие токи опасны
не только для самой машины, но и для аппаратуры и других элементов
распределительных устройств электрических станций и подстанций, с которыми
она связана. В машине они создают значительные механические силы, особенно
опасные для лобовых частей обмоток статора. Кроме того, создаются большие
вращающие моменты, действующие на ротор и статор, которые также необходимо
иметь в виду при конструировании машины.
Точное исследование процессов, возникающих
в синхронной машине при ее внезапном коротком замыкании, весьма сложно.
Поэтому приходится ограничиваться приближенным исследованием, основанным
на ряде допущений.
Мы здесь рассмотрим эти процессы только с
физической стороны и напишем некоторые соотношения, характеризующие их.
Рассмотрим сначала трехфазное короткое
замыкание и примем, что частота вращения при этом остается неизменной.
Будем считать, что активные сопротивления всех контуров машины равны нулю.
Тогда согласно закону Ленца, который в этом случае называют «законом
постоянства потокосцеплений», потокосцепления контуров должны остаться
неизменными.
Пусть короткое замыкание произошло при
холостом ходе машины, когда ось рассматриваемой фазы статора совпадала с
осью полюсов, когда, следовательно, ее потокосцепление было наибольшим.
При повороте ротора поток полюсов, сцепляющийся с этой фазой, будет
уменьшаться и сделается равным нулю, когда ротор повернется на 90 эл.
град. В фазе возникнет ток, стремящийся поддержать прежнее значение
потокосцепления. При дальнейшем повороте ротора на 90 эл. град ток в фазе
статора еще больше увеличивается, так как он должен не только создать
прежнее потокосцепление, но и противодействовать н.с. обмотки возбуждения.
Когда ротор снова повернется на 180 эл. град, т. е. займет исходное
положение, то ток фазы будет равен нулю.
Мы можем считать, что ток в фазе будет
иметь две составляющие: периодическую и апериодическую. Периодические токи
фаз статора создадут вращающуюся н.с., неподвижную относительно полюсов.
Ее ось совпадает с осью полюсов, так как эти токи можно рассматривать как
чисто реактивные. Апериодические токи фаз статора создают поле,
неподвижное относительно статора (неподвижное в пространстве).
Можно провести аналогию с трансформатором и
принять при этом, что короткое замыкание обмотки статора аналогично
включению короткозамкнутого трансформатора на синусоидальное напряжение
(э.д.с. обмотки статора соответствует напряжению, приложенному к
трансформатору).
Продолжение