5.3 Метод взаємного навантаження електричних машин і трансформаторів

При випробуваннях за цим методом дві однакові електричні машини з’єднуються між собою механічно та електрично й під’єднується до зовнішнього джерела енергії. Одна з машин працює в режимі генератора й віддає  вироблену електричну енергію іншій машині, яка працює в режимі двигуна й витрачає всю свою механічну енергію на обертання першої машини. При взаємному навантаженні двох однакових трансформаторів вони вмикаються паралельно, а їх первинні обмотки з’єднуються із загальним джерелом живлення або мережею.

Витрати енергії при випробуваннях визначаються сумарними втратами в обох випробуваних машинах або трансформаторах. Компенсація цих втрат здійснюється від зовнішнього джерела електричної або механічної енергії, або від обох джерел одночасно. Якщо врахувати, що ККД електричних машин середньої та великої потужності складає 90% і більше, а трансформаторів – вище 95%, то виявляється, що за допомогою обмеженого джерела потужності (10¸20% від потужності однієї випробуваної машини або трансформатора) можна випробувати дві крупні електричні машини або два трансформатори одночасно. Різке зменшення витрат енергії при випробуваннях є важливою перевагою методу взаємного навантаження.

При випробуваннях машин змінного струму використовуються три способи введення в контур випробовуваної машини енергії, необхідної для компенсації витрат: паралельне й послідовне увімкнення джерела електричної енергії, а також під’єднання механічного джерела енергії.

При використанні способу паралельного увімкнення джерела електричної енергії обидві машини – двигун ВД і генератор ВГ (рисунок 5.4, а) з’єднуються одна з одною механічно й до них підводиться живлення від генератора постійного струму ГПС потрібної напруги, який обертається за допомогою двигуна Д. Кола збудження всіх трьох машин постійного струму вмикаються незалежно від якірних кіл і на рисунку 5.4 не показані.

Рисунок 5.4 – Принципова схема випробувань електричних машин постійного струму за методом взаємної індукції (mutual induction method):

а – при паралельному ввімкненні джерела електричної енергії; б – при послідовному ввімкненні; у – під час увімкнення механічного джерела енергії

Після вмикання рубильника  здійснюється пуск збудженого двигуна ВД за допомогою пускового реостату або шляхом плавного збільшення напруги на виході генератора постійного струму ГПС. Після досягнення заданої частоти обертання  збуджують випробуваний генератор ВГ до номінальної напруги, яка відповідає напрузі генератора ГПС. Контроль за виконанням цієї умови здійснюється за допомогою вольтметра, який вмикається на затискачі рубильника . Після вирівнювання напруг (показники вольтметра при цьому дорівнюють нулю) рубильник  замикається й генератор ВГ вмикається паралельно генератору ГПС.

Навантаження випробуваних машин здійснюється шляхом підвищення збудження генератора ВГ та послаблення збудження двигуна ВД. Для підтримки заданого рівня напруги живлення одночасно необхідно регулювати збудження генератора ГПС. При паралельному увімкненні джерела живлення напруга випробуваної машини однакова й з балансу їх потужностей отримуємо:

,                                         (5.1)

         де  – струм у колах якорів генератора та двигуна;

          – ККД генератора та двигуна.

З цього виразу витікає, що відношення струмів у колах якорів двигуна та генератора більше одиниці та зворотно пропорційне добутку ККД цих машин, тому при номінальному навантаженні двигуна генератор виявляється недовантаженим, а при номінальному навантаженні генератора двигун перевантажується.

При використанні способу послідовного увімкнення джерела живлення якоря  допоміжного генератора постійного струму ГПС та випробуваних машин ВГ і ВД з’єднується послідовно в замкнений контур (рисунок 5.4, б).

У колах обмоток збудження встановлюється таке значення струму, якому в режимі холостого ходу відповідає номінальна напруга . Потім від двигуна з частотою обертання  приводиться в рух генератор ГПС і за рахунок плавного збільшення його напруги здійснюється розгін випробуваних машин до номінальної частоти обертання . Після цього збільшують напругу машини, яка призначена до випробувань у режимі генератора, і зменшують напругу машини, яка призначена до випробувань у режимі двигуна, встановлюючи струм якорів ВД, ВГ і ГПС рівним номінальному  або будь-якому потрібному значенню струму.

Оскільки збудження всіх трьох машин вважається незалежним, номінальна напруга допоміжного генератора ГПС має вигляд:

,                              (5.2)

         де  – сумарні витрати в схемі без урахування витрат на збудження, оскільки збудження усіх трьох машин вважається незалежним.

На підставі другого закону Кірхгофа можна записати:

,                             (5.3)

         де  – ЕРС випробуваних двигуна і генератора, В;

          – сумарні активні опори якірних кіл генератора й двигуна, Ом.

Оскільки  перевищує величину , при номінальному навантаженні генератора ВГ двигун ВД буде перевантажений, а при номінальному навантаженні двигун генератор виявляється недозбудженим.

При використанні способу під’єднання механічного джерела енергії машини ВГ і ВД, що випробовуються, механічно з’єднуються з допоміжним двигуном Д, за допомогою якого вони приводяться до обертання з номінальною частотою  (рисунок 5.4, в), після чого вони збуджуються до номінальної напруги. Потужність допоміжного двигуна повинна бути не менша сумарних втрат обох машин, що випробовуються. Обмотки збудження машин під’єднується до незалежного джерела живлення.

Правильність полярності машин перевіряється за вольтметром, який вмикається на затискачі рубильника  (при рівності напруг генератора й двигуна вольтметр повинен давати нульові показання). Для цього замикають рубильник , збільшують збудження машини, яка призначена до випробувань в режимі генератора, і зменшують збудження машини, яка призначена до випробувань в режимі двигуна. Для контура, який розглядається, справедливий вираз (5.3) при , з якого витікає, що при номінальному навантаженні генератора ВГ двигун ВД буде недозбудженим, при номінальному навантаженні двигуна генератор потрібно перезбуджувати.

Спосіб під’єднання механічного джерела енергії найбільш ефективний для випробування потужних генераторів постійного струму, які випускаються у вигляді багатомашинних агрегатів з приводними двигунами змінного струму, один з яких в цьому випадку відіграє роль допоміжного двигуна Д.

При випробуваннях синхронних машин за методом взаємного навантаження їх пуск, як правило, здійснюється за допомогою розгінного двигуна, за рахунок якого компенсуються втрати в синхронних машинах та знижується до нуля споживання активної енергії з мережі змінного струму, паралельно з якою працюють машини. За аналогією з машинами постійного струму при випробуваннях синхронних машин використовуються способи паралельного увімкнення джерела живлення й під’єднання механічного джерела енергії.

Регулювання активної потужності двох механічно з’єднаних синхронних машин при їх паралельній роботі на загальну мережу можливе лише шляхом взаємного зсуву роторів або статорів цих машин. Поворот статора для машини середньої та великої потужності практично не використовується через громіздкість та ненадійність пристроїв механічного повороту. Поворот роторів порівняно просто здійснити при механічному з’єднанні валів за допомогою муфт. Для розширення можливостей регулювання кількість дірок в муфтах повинна мати, можливо, більше загальних співмножників з кількістю полюсів синхронної машини. Вказаний спосіб дозволяє регулювати навантаження дискретно (ступенями). Крім того, зміну навантаження можна здійснювати тільки після зупинки машин.

В той же час поворот вектора ЕРС холостого ходу може бути здійснений електромагнітним шляхом. Зараз отримали розповсюдження синхронні машини з поздовжньо-поперечним збудженням та асинхронизовані синхронні машини, які мають на роторі не однофазну обмотку збудження постійного струму, а дво- або трифазну. Шляхом регулювання струму збудження в цих обмотках можна плавно регулювати кут між вектором потоку збудження та “повздовжньою” віссю машини й кут навантаження. Потужність електричних машин з поздовжньо-поперечним системним збудженням сягає 500 МВт, що дозволяє випробувати потужні синхронні машини.

У випадку реактивного навантаження одна з двох синхронних машин може працювати в режимі генератора, а друга – в режимі споживача реактивної потужності. Потрібно зауважити, що в режимі недозбудження з нульовим струмом збудження навіть синхронні компенсатори споживають лише (50¸60)% від номінальної потужності (rated power), що потребує встановлення в цьому випадку додаткового індуктивного навантаження.

При випробуваннях асинхронних машин за методом взаємного навантаження безпосереднє з’єднання їх валів виявляється неможливим, оскільки частота збудження обертання реалізується підбиранням діаметрів шківів, які встановлюються на валах машин, що випробовуються, або передаточного відношення редуктора. Потужність асинхронної машини при незмінній напрузі залежить тільки від величини ковзання, тому спосіб під’єднання механічного джерела енергії в даному випадку виявляється недопустимим. Використовується лише спосіб паралельного увімкнення джерела живлення.

Двигун ВД і генератор ВГ, що випробовуються, вмикаються на загальну мережу (рисунок 5.5). Їх ротори зв’язані ремінною передачею, так що частота обертання двигуна  виявляється менша, а частота обертання генератора  – більша синхронної. При цьому активна потужність генератора в схемі, яка розглядається, менша потужності двигуна на суму втрат. В результаті при номінальному навантаженні генератора ВГ двигун ВД виявляється перевантаженим, а при номінальному навантаженні двигуна навантаження генератора менше номінального.

Рисунок 5.5 – Принципова схема випробування асинхронних машин за методом взаємного навантаження

При випробуваннях трансформаторів за методом взаємного навантаження вони вмикаються паралельно. Якщо умови увімкнення на паралельну роботу виконані, то первинними обмотками струм не протікає, а з мережі кожний трансформатор споживає лише струм холостого ходу. Для того щоб навантажити трансформатори, необхідно щоб різниця між вторинними ЕРС трансформаторів не була рівна нулю. Якщо вона дорівнює сумі напруг КЗ, то по обмотках трансформаторів будуть протікати номінальні струми, які викликають номінальні електричні втрати. Оскільки трансформатори працюють при номінальній напрузі, втрати в сталі також будуть рівні номінальним. Для компенсації втрат використовуються способи паралельного або послідовного ввімкнення джерел живлення.

Спосіб паралельного ввімкнення джерела живлення (рисунок 5.6, а) полягає в тому, що паралельно ввімкнені трансформатори  і  працюють на різних відпайках обмотки вищої напруги. Необхідна потужність джерела електричної енергії, яка покриває втрати в трансформаторах, коли вони однакові:

,                                     (5.4)

         де  – номінальна потужність трансформатора;

           – струм холостого ходу одного трансформатора, %;

          – напруга короткого замикання одного трансформатора, %.

Потрібно зауважити, що при цьому способі навантаження електричні втрати в обох трансформаторах неоднакові. Трансформатори з більшою кількістю витків обмотки ВН мають більші втрати, ніж трансформатори з меншою кількістю витків обмотки ВН.

При використанні способу послідовного ввімкнення джерела енергії первинні обмотки трансформаторів  і  (як правило, це обмотки низької напруги) з’єднані з джерелом живлення 1 (рисунок 5.6, б). Між вторинними обмотками цих трансформаторів ввімкнена обмотка вольтододаткового трансформатора ТВ, а його первинна обмотка живиться від джерела регульованої напруги 2, яке має частоту, таку ж як джерело 1. Вторинна обмотка трансформатора ТВ повинна мати клас напруги ізоляції не нижче класу ізоляції вторинних обмоток випробуваних трансформаторів.

1 – джерело живлення; 2 – джерело напруги

Рисунок 5.6 – Принципова схема випробування трансформаторів за методом взаємного навантаження:

а) – при паралельному ввімкненні джерела електричної енергії;

б) – при послідовному ввімкненні

Плавно змінюючи напругу джерела 2, струм в обмотках трансформаторів  і  доводять до необхідного значення. Потужність трансформатора ТВ при однакових випробуваних трансформаторах для випадку номінального навантаження можна визначити за формулою:

.                                       (5.5)

Звичайно потужність джерела 2 береться на 10% більша, ніж потужність вольтододаткового трансформатора.

Необхідна потужність джерела 1 в такому випадку складає:

.                                          (5.6)

Оскільки струм холостого ходу  значно менший напруги короткого замикання , то розглядувану схему можна віднести до послідовного увімкнення джерела живлення.