Синхронные машины

Векторная диаграмма, построенная для генератора при опыте трехфазного к.з., представлена на рис. 2.10, в. Из диаграммы видно, что ЭДС индуцируемая в обмотке статора, полностью уравновешивается ЭДС продольной реакции якоря и ЭДС рассеяния .

Рис. 2.9. Опыт холостого хода синхронного генератора

При этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две составляющие: одна компенсирует падение напряжения , а другая компенсирует размагничивающее влияние реакции якоря .

Характеристики к.з. и х.х. дают возможность определить значения токов возбуждения, соответствующие указанным составляющим МДС возбуждения. С этой целью характеристики х.х. и к.з. строят в одних осях (рис. 2.11), при этом на оси ординат отмечают относительные значения напряжения х.х. Е_* = E₀/ U_1ном и тока к.з. I_к* = I_1к/ I_1ном. На оси ординат откладывают отрезок ОВ, выражающий в масштабе напряжения относительное значение ЭДС рассеяния . Затем точку В сносят на характеристику х.х. (точка В') и опускают перпендикуляр B'D на ось абсцис. Полученная точка D разделила ток возбуждения I_в0ном на две части: I_вх -- ток возбуждения, необходимый для компенсации падения напряжения , и -- ток возбуждения, компенсирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Рис. 2.10. Опыт короткого замыкания синхронного генератора

Рис. 2.11. Определение составляющих тока к.з.

Один из важных параметров синхронной машины -- отношение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуждения I_в0ном, соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения I_в.к.ном соответствующему номинальному току статора при опыте к.з. (рис. 2.10, б):

OK3 = I_B0HOM/ I_B.K.HOM. (2.34)

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4 ч 0,7; для гидрогенераторов ОКЗ = 1,0 ч 1,4.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устойчивы при параллельной работе (см. гл. 21), имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие машины имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем машины с большим ОКЗ.

Внешняя характеристика. Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = f (I₁) при I_в = const; соs ц₁, = const; n₁ = n_ном = const. На рис. представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (соs ц₁ = 1) уменьшение тока нагрузки I₁ сопровождается ростом напряжения U₁, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослаблением размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cos ц₁ < 1; инд.) увеличение U₁ при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря (см. § 2.3). Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cos ц₁ < 1; емк.) уменьшение I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной составляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I_в = const и n₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%):

(2.35)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому ДU_1ном отрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U₁ при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежание повреждения изоляций обмотки ДU_ном, не должно превышать 50%.

Рис. 2.12. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики синхронного генератора

Регулировочная характеристика. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_в = f (I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cos ц₁ = const. На рис. 2.12, б представлены регулировочные характеристики синхронного генератора. При активной нагрузке (соs ц₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, поэтому для поддержания этого напряжения неизменным по мере увеличения тока нагрузки I₁ следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cos ц₁ < 1;инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁ (рис. 2.12, а), поэтому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном следует повышать в большей степени. При емкостном же характере нагрузки (cos ц₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном ток возбуждения следует уменьшать.

2.7 Практическая диаграмма ЭДС синхронного генератора

Изменение напряжения синхронного генератора ДU_ном при сбросе номинальной нагрузки можно определить графически - построением практической диаграммы ЭДС. Предположим, что синхронный генератор работал в режиме номинальной нагрузки, а затем нагрузка была полностью сброшена, но частота вращения и ток возбуждения при этом остались неизменными. Напряжение генератора после сброса нагрузки возросло на ДU_ном. Для определения этого значения проделаем следующее (рис. 2.13): в одних осях координат построим характеристики холостого хода и короткого замыкания. Затем на оси ординат построим вектор ОA = и под углом ц₁ к вектору ОА проведем вектор тока .

Рис. 2.13. Практическая диаграмма ЭДС

Прибавив к вектору U_1ном векторы падения напряжения и , найдем ЭДС нагруженного генератора:

(2.36)

Перенося точку В на характеристику х.х. (точка С), проведем ординату CD. Полученный на оси абсцисс отрезок OD определяет ток возбуждения I^/_в, необходимый для создания ЭДС нагруженного генератора Е_н.г.. Но при работе генератора без нагрузки его ЭДС Е₀ больше, чем ЭДС Е_н.г., на значение ЭДС продольной реакции якоря Е_1d, т.е. .

Для учета определим ток возбуждения , соответствующий продольно-размагничивающему действию реакции якоря. Проделав необходимые построения, определяем = LG (рис.2.13). Затем из точки D под углом ц^/₁ = ц₁ + г к CD проводим вектор DM = . Из центра О радиусом ОМ опишем дугу до пересечения с осью абсцисс в точке N. Тогда ON = - ток возбуждения, соответствующий ЭДС = NP. Проведя из точки А параллельно оси абсцисс линию AR, получим

ДU_ном =

Рис. 2.14. Определение ДU_ном

Построить практическую диаграмму ЭДС для трехфазного синхронного генератора и определить повышение напряжения при сбросе нагрузки. Генератор имеет следующие данные: Р_ном = 500 кВт; U_ном = 230 В; cos ц₁ = 0,8; х₁ = 0,04 Ом; r₁ = 0,0015 Ом; ОКЗ -- 1,4; характеристика х.х. нормальная (см. § 2.6), обмотка статора соединена звездой.

Решение. Для построения характеристики к.з. определим относительный ток возбуждения I_{в.к.ном*} соответствующий номинальному току нагрузки. Из (2.34) получим I_в.к.ном/ I_в0ном = 1/ ОКЗ = 1/ 1,14 = 0,715

Номинальный ток генератора

I_1ном = = 905А.

Активное падение напряжения

I_1ном r₁ = 9050,0015 = 1,36 В

Индуктивное падение напряжения

I_1ном j x₁ = 905j0,04 = j36,2 В

Выразим полученные величины в относительных единицах:

I_1ном r₁/ U_1ном = 1,36/ 230 = 0,0059; I_1ном j x₁/ U_1ном =36,2/ 230 = j0,157

Так как индуктивное падение напряжения в 0,157/ 0,0059 = 26 раз больше активного, то активным падением напряжения можно пренебречь. Между напряжением и током угол сдвига фаз составляет ц₁ =arccos 0,8 =37°.

Произведя построения в изложенном выше порядке, получим практическую диаграмму ЭДС (рис. 2.14), из которой определяем величину повышения напряжения при сбросе нагрузки:

ДU_ном = = 28%

Все построения на диаграмме (рис. 2.14) выполнены в относительных единицах.

2.8 Потери и КПД синхронных машин

Преобразование энергии в синхронной машине связано с потерями энергии. Все виды потерь в синхронной машине разделяются на основные и добавочные.

Основные потери в синхронной машине слагаются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных потерь и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора (Вт)

Р_э1 = m₁ I₁² r₁ (2.37)

где r₁ -- активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре, Ом.

Потери на возбуждение (Вт):

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

Р_в = I_в² r_в + ДU_щ I_в (2.38)

где r_в -- активное сопротивление обмотки возбуждения при расчетной рабочей температуре, Ом; ДU_щ = 2 В -- падение напряжения в щеточном контакте щеток;

б) при возбуждении от генератора постоянного тока (возбудителя), сочлененного с валом синхронной машины,

Р_в = (I_в² r_в + ДU_щ I_в)/ з_в. (2.39)

где з_в. = 0,80 ч 0,85 -- КПД возбудителя.

Магнитные потери синхронной машины происходят в сердечнике статора, который подвержен перемагничиванию вращающимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гистерезиса Р_г и потерь от вихревых токов Р_в.т:

Р_м = Р_г + Р_в.т. (2.40)

Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в подшипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины),

Р_мех ? 3,68р () ³ (2.41)

v₂ = р (D₁ - 2д)n₁/ 60 (2.42)

-- окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с; l₁ -- конструктивная длина сердечника статора, мм.

Добавочные потери в синхронных машинах разделяются на два вида: пульсационные потери в полюсных наконечниках ротора и потери при нагрузке.

Добавочные пульсационные потери Р_п в полюсных наконечниках ротора обусловлены пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора. Значение этих потерь (Вт)

Р_п = k_п р b_п l₁ (10^-4 Z₁ n₁)^1,5 [B_д (k_д1 - 1 )t₁]² 10^-6, (2.43)

где k_п - коэффициент, учитывающий толщину листов полюсов ротора (при толщине листов 1 мм k_п = 4,6; при толщине листов 2 мм k_п = 8,6; при массивных полюсных наконечниках k_п = 23,3); b_р -- ширина полюсного наконечника, мм; Z₁ -- число пазов на статоре;

B_д - магнитная индукция в зазоре, Тл; k_д1 - коэффициент воздушного зазора статора; t₁ - зубцовое деление статора, мм.

Добавочные потери при нагрузке P_доб в синхронных машинах определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для синхронных машин мощностью до 1000 кВт добавочные потери при нагрузке принимают равными 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт -- 0,25--0,4%. Суммарные потери в синхронной машине (кВт)

?Р = (Р_э1 + Р_в + Р_м1 + Р_мех + Р_п + Р_доб) 10^-3 (20 44)

Коэффициент полезного действия: для синхронного генератора

з_г = 1 - ?Р / (Р_ном + ?Р ) (2.45)

Р_ном = m₁ U_1ном I_1ном cos ц₁10^-3 (2.46)

- активная мощность, отбираемая от генератора при его номинальной нагрузке, кВт;

для синхронного двигателя

з_д = 1 - ?Р / Р_1ном (2.47)

Здесь U_1ном и I_1ном -- фазные значения напряжения и тока статора.

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (в = Р₂/ Р_ном) и от ее характера (соs ц₁). Графики этой зависимости аналогичны изображенным на рис. 1. КПД синхронных машин мощностью до 100 кВт составляет 80--90%, у более мощных машин КПД достигает 92--99%. Более высокие значения КПД относятся к турбо- и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Размещено на Allbest.ru