СПОСОБ НАГРУЗКИ СИНХРОННЫХ МАШИН
MODE OF SYNCHRONOUS MACHINES LOADING

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано на электромашиностроительных заводах, ремонтных предприятиях и в эксплуатации. ГОСТ 10169 «Машины электрические трехфазные синхронные, методы испытаний» предписывает испытания производить при непосредственной нагрузке, допускаются также испытания в косвенных режимах. В последнее время заказчики все чаще требуют проведение испытаний при непосредственной нагрузке и даже сдаточные непрерывные трехсуточные испытания в режиме номинальной нагрузки на заводе-изготовителе.
Наиболее экономичным из известных является способ взаимной нагрузки, когда две механически сопряженные машины работают друг на друга от одной электрической сети - одна в режиме двигателя, другая в режиме генератора. Из электрической сети или от вспомогательного двигателя, если потери покрываются механически с вала, потребляется только сумма потерь в сопряженных машинах.
При взаимной нагрузке необходимо обеспечить смещение магнитных осей полюсов на определенный угол - угол нагрузки Θ (тэта). Это смещение может быть выполнено механическим способом за счет разного рода планетарных передач, которые могут обеспечить регулируемый поворот осей, или специальных двойных муфт. В последнем случае смещение обеспечивается только на определенный заранее заданный угол. Для задания другой нагрузки необходимо остановить машины и подобрать другой угол. Возможен электрический поворот магнитных осей полюсов, когда одна из машин имеет специальное исполнение с ротором продольно-поперечного возбуждения с двумя взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения, в которой поворот поля ротора на ограниченный угол достигается регулированием токов возбуждения этих обмоток по величине и направлению (Жерве Г.К. «Вопросы испытания крупных турбогенераторов». Энергия, Ленинградское отделение, 1970).
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа взаимной нагрузки свободного от недостатков вышеперечисленных способов, а именно: сложностью выполнения планетарных передач, невозможностью регулирования нагрузки специальными сдвоенными муфтами или необходимостью создания специальной машины продольно-поперечного возбуждения.
Технический результат достигается тем, что в известных способах нагрузки синхронных машин, заключающихся в механическом сопряжении валов испытываемой и нагрузочной машин, одна из которых работает в режиме двигателя, а другая - в режиме генератора с возвратом электрической энергии источнику питания, в котором нагрузка обеспечивается за счет поворота поля ротора нагрузочной машины на ограниченный угол, либо смещением валов нагружаемых машин посредством специальной сдвоенной муфты или планетарной передачи, либо использованием специальной машины с продольно-поперечным возбуждением с двумя взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения, в которой поворот поля на ограниченный угол достигается регулированием токов возбуждения этих обмоток по величине и направлению, взаимная нагрузка механически сопряженных машин с возвратом электрической энергии источнику питания достигается использованием в качестве нагрузочной машины асинхронной машины с фазным ротором, возбуждаемой со стороны ротора трехфазным током независимо задаваемой нулевой частоты с поворотом поля ротора на любой заданный угол с возможностью нагрузки испытываемых машин в двигательном или генераторном режиме, в том числе и углах нагрузки больше критического.
2
На фиг. 1 приведена схема осуществления нагрузки. Испытываемая синхронная машина 1 с обмоткой возбуждения 2 сопряжена механически с нагрузочной асинхронной машиной 3 с фазным ротором 4, а статоры машин подключены к одной электрической сети 6. Ротор 4 нагрузочной асинхронной машины 3 подключен к трехфазному источнику тока нулевой частоты 5. При повороте трехфазной системы токов в роторе 4 нагрузочной асинхронной машины 3 осуществляется поворот магнитной оси ротора 4 и изменение угла нагрузки Θ нагрузочной асинхронной машины 3 и соответственно изменение нагрузки испытываемой синхронной машины 1. Возврат энергии в испытываемую синхронную машину 1 осуществляется через общую электрическую сеть 6. От электрической сети 6 к взаимно нагружаемым машинам 1 и 3 через точку 7 на фиг.3 подводится сумма потерь в машинах за исключением джоулевых потерь в роторах (IR) взаимно нагружаемых машин, подводимых как потери независимого возбуждения от источника постоянного тока к обмотке возбуждения 2 и от трехфазного источника тока нулевой частоты 5 к фазному ротору 4 нагрузочной асинхронной машины 3. Комплект приборов 8 на фиг.3 предназначен для измерения суммы потерь в машинах 1 и 3, подводимых от электрической сети 6.
В качестве трехфазного источника тока нулевой частоты 5 может использоваться коллекторная машина (машина постоянного тока) с равномерно размещенной по окружности коллектора трехфазной системой поворачиваемых щеток, либо регулируемый тиристорный преобразователь частоты при частоте 0 (ноль) герц.
При повороте поля ротора токи в различных фазах трехфазной системы могут меняться от нуля до амплитудного значения. При определенном неизменном положении оси поля ротора 4 нагрузочной асинхронной машины 3 распределение токов в фазах будет неравномерным, что при укороченном шаге обмотки ротора 4 может вызвать неравномерный нагрев по окружности ротора и появление в связи с этим механического небаланса и вибрации. С целью исключения этого явления при длительных неизменных нагрузках, например, при тепловых испытаниях нагружаемой синхронной машины 1, необходимо поворачивать поле ротора асинхронной машины 3 непрерывно. При этом обе машины 1 и 3 будут плавно переходить из режима двигателя в режим генератора и обратно. Поскольку поворот оси поля ротора асинхронной машины 3 производится независимо от нагрузки, например, поворотом щеток трехфазного источника тока нулевой частоты 5, то оказывается возможной устойчивая работа машины и 1, и 3 при углах нагрузки больших критического, на неустойчивой в обычных условиях падающей части угловой характеристики синхронной машины 1, т.е. при углах больших 90° (для неявнополюсных машин). При периодическом переходе машин из режима двигателя в режим генератора и наоборот величиной тока фазного ротора 4 асинхронной машины 3 (т.е. крутизной наклона угловой характеристики асинхронной машины 3) можно подобрать такой средний режим синхронной машины 1, чтобы среднеквадратичное значение тока статора было равно заданному, например, номинальному. Ток возбуждения синхронной машины 1 сразу задается номинальный.
На фиг.2 изображен вариант, когда машины 1 и 3 работают изолированно от электрической сети 6, например, когда напряжение синхронной машины 1 не соответствует напряжению электрической сети 6. В этом случае покрытие потерь осуществляется от вспомогательного тарированного двигателя 7, подключенного к сети 6, а сумма потерь измеряется на входе в тарированный двигатель 7.
Σ
На фиг.3 изображен вариант, используемый при испытаниях нагружаемой синхронной машины 1 при определении нагрузочных характеристик, нагревов, КПД и добавочных нагрузочных потерь, где 9 специальная схема для измерения сопротивлений при наличии переменной ЭДС, включаемая между нейтралями машин 1 и 3 для измерения общего сопротивления статоров двух машин включая соединительные провода и аппаратуру - R (Шарипов A.M. Измерение сопротивлений обмоток электрических машин под напряжением. Электротехническая промышленность, электрические машины, №10 (140), М., 1982, стр. 3-5).
2
2
Σ
Σ
Пояснение к способу приведено на фиг.4. По экспериментально снятой данным способом нагрузочной характеристике строится зависимость измеренной суммы потерь ΣР от квадрата тока I- прямая 6. Эта зависимость от квадрата тока является линейной и отсекает в начальной части при нулевом нагрузочном токе постоянную часть потерь - отрезок 1, представляющий потери в стали и потери механические машин 1 и 3. По измеренным значениям сопротивления между нейтралями R и измеренным токам статоров машин 1 и 3 вычисляются потери в обмотках статоров IR - переменная часть потерь - 3. Вычитаются нагрузочные добавочные потери предварительно протарированной нагрузочной асинхронной машины 3 с фазным ротором - переменная часть 4. Остаток - переменная часть 5 представляют искомые нагрузочные добавочные потери, измеренные при номинальной нагрузке и номинальном напряжении.
По вычисленным отдельным составляющим потерь, измеренных при номинальной нагрузке с хорошей точностью, определяют КПД машины 1 методом суммирования потерь по ГОСТ 25941 «Машины электрические вращающиеся, методы определения потерь и коэффициента полезного действия».
Экспериментальная проверка предлагаемого способа выполнена с машинами, сопряженными по схеме фиг.1.
Нагружаемый синхронный двигатель 1 типа СМ 114-6, 56 кВт, 380 В, 80 кВА, возбуждение 112 А, 18 В, 1000 об/мин.
Нагрузочный асинхронный двигатель 3 с фазным ротором типа АК-92/6, 75 кВт, 380 В, 151 А, cosφ=0,84, 970 об/мин, ротор 4 напряжение 538 В, ток 88 А.
Трехфазный источник тока нулевой частоты 5 - на базе машины постоянного тока ПН205 - с поворотной трехпальцевой щеточной траверзой, приводимой через редуктор и зубчатую передачу серводвигателем постоянного тока, который может поворачивать траверзу на любой заданный угол или поворачивать непрерывно.
На фиг.5 представлены нагрузочные характеристики машины СМ-114-6 с нагрузочной машиной АК92-6 в зависимости от угла нагрузки Θ, где 1 - подведенная в режиме двигателя и отдаваемая в режиме генератора мощность нагружаемой машины СМ 114-6, 2 - ток статора нагружаемой машины СМ 114-6, 3 - ток статора нагрузочной машины АК92-6, 4 - ток возбуждения фазы А нагрузочной машины АК92-6,
<mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>fAmax</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mo>•</mo><mtext>71</mtext><mo>=</mo><mtext>102À</mtext><mo>=</mo><mtext>соnst</mtext></mrow>
,
где 71 - неизменное значение эффективного тока ротора АК92-6, 5 - электромагнитная мощность нагружаемой машины СМ114-6 (при делении на синхронную угловую частоту ω - электромагнитный момент), полученная вычетом из измеренной мощности 1 потерь в стали и нагрузочных в статоре машины СМ 114-6 в режиме двигателя (выше оси абсцисс) и добавлением потерь в стали и нагрузочных в статоре к измеренной мощности 1 в режиме генератора (ниже оси абсцисс).
f
f
Напряжение сети 388 В, ток возбуждения нагружаемой машины СМ114-6, I=110 А, эффективный ток ротора нагрузочной машины I=71 А - остаются постоянными во всем диапазоне определения характеристик.
d
q
Максимальный электромагнитный момент в режиме двигателя смещен в сторону большего угла 120° реактивным моментом явнополюсной машины и, наоборот - в сторону меньшего угла 70° в режиме генератора. Это явление у явнополюсных машин известно и хорошо рассчитывается при известных продольной x и поперечной x реактивностях.
Не известно обнаруженное при данных испытаниях явление увеличения угла нагрузки в режиме двигателя больше 180° и соответственно меньше 180° в режиме генератора.
Точность определения задаваемого угла нагрузки Θ (фиг.5) подтверждается полным периодом 360° первичной 1 и электромагнитной мощности 5, а также углами 0, 90, 180, 270 и 360° прохождения тока возбуждения 4 фазы А через нулевые, максимальные и минимальные значения.
По-видимому, экспериментально определить нагрузочную характеристику при углах больше критического в неустойчивой части характеристики, когда угол нагрузки Θ является функцией принимаемой нагрузки, представлялось невозможным. В заявляемом случае нагрузка является функцией независимо от нагрузки задаваемого угла Θ и тем самым обеспечивается устойчивая работа при углах нагрузки больше критического, так как любые возмущающие факторы не меняют заданный угол Θ, что и подтверждается снятой по точкам нагрузочной характеристикой во всем диапазоне изменения угла Θ от 0 до 360°.
На фиг.6, 7 приведены осциллограммы мощности и токов при непрерывном изменении угла Θ в функции угла Θ и в функции времени для имитации длительных режимов с расчетом средних значений мощности и среднеквадратичных значений токов. Расположение на осциллограммах сверху вниз: мощность нагружаемой машины СМ114-6, ток статора нагружаемой машины СМ114-6, ток одной фазы возбуждения ротора нагрузочной машины АК92-6.
В порядке промышленного использования предлагаемого изобретения проведены нагрузочные испытания в полном объеме в соответствии с ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004) синхронного электродвигателя СДР-6300-10000, 6300 кВт, 10000 В, 3000 об/мин с нагрузочной асинхронной машиной с фазным ротором АСГ-8000, 8000 кВт, 6/10 кВ, 3000 об/мин. Машина СДР-6300 принята заказчиком (Транснефть).