В отличие от статической устойчивости, которая рассматривается при медленном изменении нагрузки, динамическая устойчивость характеризует поведение синхронного генератора при внезапном изменении нагрузки.
Динамической устойчивостью называется способность генератора возвращаться к установившейся работе, не выпадая из синхронизма, после временного резкого отклонения режима. В этих условиях система регулирования первичного двигателя не успевает создавать соответствующее изменение первичного фактора при изменениях нагрузки генератора. Такое резкое внезапное изменение нагрузки происходит при включении или выключении мощных потребителей, отключении одного из параллельно работающих генераторов, а также при коротких замыканиях в сети.
Статическая устойчивость системы является обязательной, но еще недостаточной предпосылкой ее устойчивости в динамическом режиме. Статически устойчивая система может оказаться неустойчивой динамически.
Если синхронный генератор работает с неизменными значениями, то каждому значению развиваемой им мощности соответствует определенное положение ротора относительно магнитного потока статора, т. е. определенное значение угла нагрузки. Это имеет место в установившемся режиме.
При внезапном увеличении механической мощности на валу первичного двигателя ротор генератора, преодолев инерцию находящихся на валу агрегата масс, придет в движение в направлении увеличения угла нагрузки. Достигнув угла, соответствующего новой мощности, ротор генератора не остановится, а будет продолжать отклоняться на больший угол, пока не израсходует запас кинетической энергии движущихся масс. Затем, поскольку мощность генератора стала больше мощности первичного двигателя, начнется обратное движение ротора, и вновь из-за большой инерционности он пройдет положение, соответствующее равновесию мощностей. Так, ротор будет совершать колебания относительно некоторого определенного нагрузкой среднего положения.
В процессе качаний ротора магнитные силовые линии, связывающие его со статором, растягиваются и сжимаются, как пружина. При больших углах поворота эта связь может быть оборвана и генератор выйдет из синхронизма. Но генератор может не выйти из синхронизма даже и в том случае, если ротор повернется на угол, превышающий 1/2; только при этом он должен израсходовать запас кинетической энергии в пределах угла, при котором мощность генератора будет больше мощности первичного двигателя. Тогда ротор вернется в область статической устойчивости Если же ротор
повернется на угол, при котором мощность генератора будет меньше мощности первичного двигателя, то угол поворота увеличится до 0>я и генератор перейдет в двигательный режим. При этом он будет развивать дополнительный вращающий момент и мощность, вызывающие дальнейший разгон агрегата в асинхронном режиме работы генератора. Особенно опасные качания ротора возникают в результате провалов напряжения генератора.
Рассмотрим изменение режима работы генератора, вызванное провалом напряжения в сети. В нормальном режиме генератор работает с углом нагрузки, потребляя мощность первичного двигателя, что на рис. 1 соответствует положению точки а на угловой характеристике. При внезапном уменьшении напряжения угловая характеристика будет соответствовать кривой. Ротор генератора ввиду большой инерционности в первый момент времени не изменяет своего положения. Поэтому генератор, перейдя на характеристику, потребляет и отдает потребителям (потерями в генераторе пренебрегаем) мощность, соответствующую точке. Эта мощность меньше мощности первичного двигателя, определяемой характеристикой. Превышение мощности генератора механической мощностью, приложенной к валу агрегата, вызывает увеличение угла смещения ротора относительно поля статора от 01 до 02, при котором наступает равновесие мощностей, и далее до 03 — в результате инерционности ротора. При этом изменение мощности генератора определяется ординатами точек соответственно, причем на участке cd мощность генератора больше мощности первичного двигателя и движение осуществляется за счет запасенной ранее кинетической энергии ротора. В точке d кинетическая энергия оказывается израсходованной, и ротор начинает затормаживаться, вновь по инерции проходя точку с равновесия мощностей. Затухающие колебания ротора относительно точки с на рис. 34 изображены кривой.
На основании так называемого метода площадей рассмотренный процесс качания ротора объясняется следующим образом. При переходе генератора с характеристики 1 на характеристику 2 количество запасенной ротором кинетической энергии пропорционально площади фигуры abc. Отклонение ротора на максимальный угол 0з от равновесного положения соответствует расходу кинетической энергии, пропорциональной площади фигуры cde, которая равна площади abc.
В рассмотренных случаях напряжение синхронного генератора изменяется внешними условиями (например, коротким замыканием в сети) и поэтому генератор не влияет на величину напряжения и частоты сети, что соответствует параллельной работе его с мощной сетью.
Рис. 1. График динамической устойчивости синхронного генератора при провале напряжения в сети.
На судовых электростанциях обычно устанавливаются генераторы одинаковой или соизмеримой мощности. Поэтому нарушение режима работы электростанции вызывает качания всех генераторов. Генераторы одинаковые по мощности и с одинаковыми приводными двигателями, как правило, совершают одинаковые по амплитуде и частоте колебания и угол рассогласования между ними в этом случае невелик. Поэтому в отношении динамической устойчивости такие генераторные агрегаты являются достаточно надежными. Менее надежными в этом отношении являются агрегаты с различными по типу и мощности приводными двигателями. Турбогенераторы имеют значительно большую механическую постоянную времени, чем дизель-генераторы, и поэтому их колебания отличаются большей длительностью периодов колебаний. В результате качания роторы таких агрегатов даже при незначительных амплитудах могут со временем образовать угол рассогласования, при котором генераторы выйдут из синхронизма. Угол рассогласования увеличивается также в случае различной загрузки генераторов к моменту падения напряжения. Во избежание выпадения генераторов из синхронизма короткие замыкания должны отключаться при угле 8, не превышающем предельного значения.
При коротких замыканиях на небольшом удалении от шин ГРЩ напряжение генераторов становится близким к нулю и генераторы оказываются работающими раздельно. Чем быстрее будет отключено такое короткое замыкание, тем меньше генераторы будут работать изолированно друг от друга и тем легче они вновь войдут в синхронизм после отключения короткого замыкания. Расчеты показывают, что это время не должно превышать 0,2 с.
Динамическая устойчивость генераторов при коротких замыканиях повышается с увеличением быстродействия автоматических регуляторов напряжения, скорости нарастания и величины предельного напряжения возбуждения.
Регуляторы скорости первичных двигателей не оказывают существенного влияния на динамическую устойчивость генераторов при коротких замыканиях, так как их собственное время срабатывания обычно больше времени с момента нарушения нормального режима до отключения короткого замыкания.
Для повышения динамической устойчивости современные судовые генераторы снабжаются успокоительной (демпферной) обмоткой, которая представляет собой стержни, закороченные по концам и уложенные в продольные пазы полюсных наконечников ротора. Во время колебаний ротора относительно синхронно вращающегося поля статора в успокоительной обмотке индуктируется ток, который, взаимодействуя с полем статора, создает тормозной момент, способствующий быстрому затуханию колебаний ротора.
Рис. 2. График динамической устойчивости синхронного генератора при коротком замыкании.
Из изложенного следует, что при внезапных изменениях режима работы синхронных генераторов повышение их динамической устойчивости обеспечивается:
— применением быстродействующих систем автоматического регулирования напряжения генераторов и частоты вращения первичных двигателей;
— применением форсирования возбуждения;
— увеличением механической инерции агрегатов;
— установкой и включением на параллельную работу генераторных агрегатов одного типа и мощности;
— снижением индуктивных сопротивлений генераторов и других элементов системы;
— устройством успокоительных (Демпферных) обмоток на роторах генераторов.
Кроме того, повышение динамической устойчивости синхронных генераторов достигается также сокращением времени отключения коротких замыканий.