Размещено на http://www.allbest.ru/

Синхронные генераторы



Асинхронные машины характеризуются тем, что частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля. В отличие от асинхронных машин, у синхронных машин частота вращения ротора и частота вращения магнитного поля равны между собой. Как и машины постоянного тока, синхронные машины являются обратимыми, т. е. одна и та же машина может работать в качестве генератора и двигателя.

Синхронные генераторы являются основными преобразователями механической энергии в электрическую.

Они используются на тепловых электростанциях, гидроэлектростанциях и передвижных электроэнергетических установках.

Синхронные двигатели, обладающие очень жесткой механической характеристикой, используются в тех случаях, когда требуется постоянство частоты вращения при изменении механического момента нагрузки в широких пределах.

Синхронные машины используются в качестве компенсаторов реактивной мощности промышленных предприятий, позволяющих улучшить коэффициент мощности и эффективность работы электрических сетей. Широкое применение в устройствах автоматики, системах управления и контроля нашли синхронные машины малой мощности: реактивные двигатели, гистерезисные двигатели, шаговые двигатели и другие синхронные микромашины.

Рис. 1. Принцип действия синхронных машин

Рассмотрим принцип действия синхронных машин на примере работы синхронного двигателя (рис. 1).

Пусть магнитная система машины состоит из двух постоянных магнитов: внешнего магнита 1, который имеет цилиндрическую форму и может вращаться вокруг продольной оси, и внутреннего магнита 2, который имеет форму усеченного цилиндра и способен вращаться вокруг той же оси O.

Внешний магнит действует на нижний магнит с механической силой притяжения в верхнем воздушном зазоре и в воздушном нижнем зазоре. При повороте внешнего магнита на некоторый угол внутренний магнит повернется на тот же угол в пространстве. Если внешний магнит вращать в пространстве с частотой , то ротор или внутренний магнит будет вращаться вокруг оси с той же частотой. Если вращению ротора препятствует некоторый механический момент, то положение внутреннего магнита относительно внешнего несколько изменится.

Рис. 2

Предположим, что точки приложения сил и находятся на его продольной оси симметрии. Если механический момент, препятствующий повороту ротора, равен нулю, то силы и направлены по линиям, проходящим через центр вращения O. Если же механический момент сопротивления вращению не равен нулю, то направление сил и изменится так, как показано на рис. 2.

Их линии действия уже не будут проходить через центр вращения 0 и создадут вращающий механический момент, равный сумме моментов сил

.

Этот механический момент, развиваемый рассматриваемой магнитной системой, будет равен моменту сопротивления или механическому моменту, препятствующему вращению ротора. Ротор будет вращаться с частотой вращения внешнего постоянного магнита .

Внешний постоянный магнит по отношению к ротору является источником вращающегося магнитного поля. Ранее при рассмотрении асинхронных двигателей уже доказано, что вращающееся магнитное поле может быть получено с помощью обмотки, расположенной в пазах статора и питаемой трехфазным током. Следовательно, для обеспечения работы синхронного двигателя необходимо иметь:

1) статор с обмоткой, питаемой многофазным током для образования вращающегося магнитного поля;

2) ротор в виде постоянного магнита или электромагнита
с обмоткой, питаемой постоянным током;

3) корпус, обеспечивающий пространственное положение ротора относительно статора.

Таким образом, основными элементами трехфазного синхронного двигателя являются:

1) корпус;

2) магнитопровод статора с пазами для укладки обмотки;

3) трехфазная обмотка статора, по конструкции ничем не отличающаяся от обмотки статора асинхронного двигателя;

4) ротор с магнитопроводом, в пазы которого уложена обмотка, питаемая постоянным током. Ротор может быть с явновыраженными полюсами. В этом случае обмотка ротора представляет собой катушки с обмоткой.

Синхронные машины являются обратимыми. Такие машины могут работать в качестве преобразователей электрической энергии в механическую и в качестве преобразователей механической энергии в электрическую.

Рассмотрим процесс преобразования механической энергии в электрическую энергию. Пусть по обмотке ротора, рассмотренной выше синхронной машины, протекает постоянный ток. Намагничивающая сила этой обмотки создает магнитное поле, магнитный поток которого будет замыкаться по магнитопроводу статора. В пазах статора уложена трехфазная обмотка. При вращении ротора потокосцепление обмоток каждой из трех фаз будет изменяться во времени по синусоидальному закону, и в фазных обмотках будут наводиться ЭДС синусоидальной формы, сдвинутые по фазе на треть периода. Частота электродвижущей силы отдельной фазной обмотки и её амплитуда будут пропорциональны частоте вращения ротора.

При подключении к статорной обмотке резисторов в них будет протекать ток. Ток обмотки статора создает свою намагничивающую силу и свою составляющую магнитного потока машины. Результирующее поле машины останется круговым вращающимся. Частота вращения магнитного поля будет равна частоте вращения ротора в пространстве.

С другой стороны, взаимодействие проводников с током статора с магнитным полем машины создаст механический момент сопротивления механизму, который приводит во вращение ротор. Таким образом, мы получили генератор трехфазного напряжения, преобразующий механическую энергию в электрическую.

Конструкция синхронной машины

Конструкция синхронной машины схематически изображена на рис. 3.



Рис. 3

На рис. 3, а роль индуктора выполняет ротор с явно выраженными полюсами 3. Питание обмотки возбуждения 4 постоянным током осуществляется через контактные кольца. Трехфазная обмотка 2 уложена в пазы статора 1.

На рис. 4, б схематически изображена синхронная машина, у которой роль индуктора играет статор. На статоре укреплены явно выраженные полюса с обмотками возбуждения 4. Трехфазная обмотка 2 машины уложена в пазы ротора 1. Выводы обмотки соединены с тремя контактными кольцами, позволяющими с помощью щеток снимать электрическую энергию с вращающегося якоря.

Ток возбуждения синхронных машин гораздо меньше тока трехфазной обмотки, поэтому расположение трехфазной обмотки на вращающихся частях машины нежелательно. В большинстве синхронных машин обмотку возбуждения располагают на роторе.

Рис. 4

Роторы синхронных машин, с помощью которых создается магнитное поле, могут быть с явно выраженными полюсами 1 (рис. 7.4, б) и с неявно выраженными полюсами (рис. 7.4, а). В первом случае обмотка возбуждения наматывается на каркасы, которые монтируются на явно выраженные полюса. Во втором случае обмотка возбуждения 2 укладывается в форме отдельных секций в пазы ротора. Ротор в этом случае изготавливается в форме цилиндра с пазами по его образующей.

Общий вид синхронной машины с явно выраженными полюсами, расположенными на роторе, изображен на рис. 5.

Рис. 5

В корпусе 1 крепится магнитный сердечник статора 2. В его пазах уложена трехфазная обмотка 3. Ротор 4 с явно выраженными полюсами опирается на подшипники, вмонтированные в корпус 1.

На явно выраженных полюсах расположены катушки обмотки возбуждения 5. На корпусе машины крепится клеммная панель 6. На оси ротора расположены контактные кольца 7, по поверхности которых скользят щетки 8, обеспечивая электрическую связь обмотки возбуждения с внешней цепью постоянного тока. При отсутствии источника питания постоянного тока, на оси ротора синхронной машины располагается генератор постоянного тока 9, называемый возбудителем. Связь обмотки возбуждения синхронной машины со щетками возбудителя осуществляется через контактные кольца.



Рис. 6

У синхронных машин, предназначенных для работы в качестве двигателей, а иногда и у генераторов в башмаках полюсов делают пазы 1 (рис.6), в которые размещают стержни дополнительной обмотки типа «беличьего колеса» 2 (см. рис. 6). Стержни обмотки соединены контактными кольцами 3. Данная обмотка используется в качестве пусковой у синхронных двигателей или демпферной у синхронных генераторов.

якорь трехфазный синхронный генератор

Режим холостого хода генератора

Электродвижущая сила обмотки статора синхронных машин наводится магнитным полем, создаваемым ротором или индуктором. Процесс наведения ЭДС сходен с аналогичным процессом асинхронных машин, поэтому уравнение, позволяющее вычислить ЭДС синхронных машин, такое же, как и для определения ЭДС статора асинхронных машин, т. е.

,

где - магнитный поток машины,

k - коэффициент обмотки,

N - количество витков фазной обмотки,

f - частота сети.

В случае синхронных машин невозможно ограничиться одним уравнением для определения электродвижущей силы статорной обмотки. Магнитные характеристики магнитопровода этих машин представляют особый интерес.

Рис. 7

ЭДС синхронной машины, работающей в режиме холостого хода, создается только главным магнитным потоком, пропорциональным току возбуждения. Поэтому кривая, выражающая зависимость ЭДС от тока возбуждения отличается от кривой зависимости магнитного потока от тока возбуждения только масштабом. Зависимость называют характеристикой холостого хода синхронного генератора или его магнитной характеристикой (рис. 7). Эту характеристику можно получить расчетным путем с использованием кривой намагничивания электротехнической стали, из которой изготовлен магнитопровод машины. По своему виду характеристика холостого хода напоминает кривую намагничивания стали, но отличается от нее меньшей кривизной, так как свое влияние оказывает магнитная характеристика воздушного зазора , которая представляется прямой линией.

Мгновенное значение электродвижущей силы синхронной машины во времени должно изменяться по синусоидальному закону. Для того чтобы получить такую зависимость, необходимо обеспечить распределение индукции в воздушном зазоре по синусоидальному закону.



Реакция якоря синхронной машины

Физическая природа реакций якоря.

Магнитное поле синхронного генератора, работающего в режиме холостого хода, создается лишь намагничивающей силой обмотки возбуждения, и величина магнитного потока, как и конфигурация магнитного поля, зависит только от тока индуктора. У нагруженного генератора ток протекает не только по обмотке возбуждения, но и по обмотке якоря. Ток обмотки якоря создает свою намагничивающую силу и свою составляющую магнитного потока машины. Результирующее магнитное поле от действия намагничивающей силы обмотки возбуждения и намагничивающей силы обмотки статора будет отличаться от магнитного поля машины, работающей в режиме холостого хода.

Изменение конфигурации и интенсивности магнитного поля машины, вызванное током трехфазной обмотки якоря, называют реакцией якоря.

Генератор переменного тока может работать на нагрузку различного характера (резистивную, резистивно-индуктивную или резистивно-емкостную), поэтому следует рассмотреть реакцию якоря синхронного генератора при нагрузке различного характера. На рис. .8 изображены временные диаграммы ЭДС и токов при резистивной (рис..8, а), индуктивной (рис. 8, б) и емкостной (рис. 8, в) нагрузке.

Рис. 8

В случае резистивной нагрузки ток фазной обмотки статора совпадает по фазе с ЭДС, наводимой в этой обмотке. При индуктивной нагрузке ток отстает от ЭДС на четверть периода, а в случае емкостной нагрузки ток опережает ЭДС по фазе на четверть периода.

На рис. 9 схематично представлено поперечное сечение синхронной четырех полюсной машины. Индуктор представлен в форме постоянного магнита, а на статоре для простоты расположены пять проводников обмотки якоря.

Рис. 9

Ротор вращается по часовой стрелке. В момент времени ротор будет занимать положение, указанное на рис. 9, а. Магнитное поле индуктора представлено пунктирными силовыми линиями. Магнитное поле проводников представлено сплошными линиями.

При таком положении ротора ЭДС будет иметь максимальное значение в проводниках 1, 3, 5, 7 (рис. 9, а), находящихся в данный момент времени на осях симметрии полюсов. Направление ЭДС определено по правилу правой руки с учетом того, что проводник относительно магнитного поля перемещается снизу вверх. В проводниках 1 и 5 ЭДС направлена «от нас», а в проводнике 3 «к нам». При резистивной нагрузке в этот момент времени в этих же проводниках (1, 3, 5) ток будет иметь максимальное значение. Токи проводников обмотки якоря создадут свою составляющую магнитного поля, которое представлено сплошными силовыми линиями. Магнитное поле третьего проводника будет ослаблять магнитный поток возбуждения под нижним краем южного полюса, на оси которого расположен проводник 3, и усиливать магнитное поле под другим краем того же полюса. Результирующий магнитный поток будет несколько меньше магнитного потока машины из-за нелинейности кривой намагничивания магнитопровода машины. Этот эффект уже рассматривался в теории машин постоянного тока.

Если генератор нагрузить идеальной катушкой индуктивности, то ток в проводнике 3 в момент времени будет равен нулю (рис. 9, б). Максимальное значение тока положительного направления будет в проводнике 2 (см. рис. 9, б), т. е. там, где величина ЭДС была максимальной четверть периода раньше. Сила тока будет максимальной и в проводнике 4. Направление токов в проводниках показано точкой и крестиком на сечении проводников. Как следует из рисунка, силовые линии магнитного поля проводников направлены навстречу силовым линиям магнитного поля индуктора. Магнитный поток результирующего поля будет меньше, чем магнитный поток ненагруженной машины. Следовательно, при индуктивной нагрузке ток обмотки якоря ослабляет магнитное поле машины.

При емкостной нагрузке ток якорной обмотки отстает от ЭДС на четверть периода (рис. 9, в) и в момент времени токи проводников 1, 3, 5 будут равны нулю. В данный момент времени ток достигает максимального значения положительного направления в проводнике 2 и 4. Силовые линии магнитного поля реакции якоря будут совпадать по направлению с силовыми линиями поля индуктора, а результирующее поле будет более интенсивным (см. рис. 9, в).

Таким образом, если нагрузкой генератора являются только конденсаторы, то увеличение нагрузки приводит к усилению магнитного потока генератора.



Реакция якоря в неявнополюсной машине

Индуктор машины с неявно выраженными полюсами сходен по конструкции с ротором асинхронной машины и воздушный зазор такой машины имеет постоянную длину. Магнитное сопротивление магнитной цепи машины по всем направлениям одинаково, поэтому можно считать, что магнитный поток всегда пропорционален намагничивающей силе.

В нагруженной машине с вращающимся магнитным полем потокосцепление одной из фазных обмоток, расположенной на статоре, изменяется во времени по синусоидальному закону На рисунке потокосцепление представлено вектором .

Рис. 10

ЭДС фазной обмотки пропорциональна производной от потокосцепления, поэтому

На рис. 10 ЭДС представлена вектором, который отстает от вектора потокосцепления на .

Если пренебречь магнитным потоком рассеяния статорной обмотки, то при резистивной нагрузке ЭДС и ток фазной обмотки будут совпадать по фазе. Ток фазной обмотки создает свою составляющую магнитного потока машины, который совпадает с током по фазе. Результирующее потокосцепление является суммой двух потокосцеплений: потокосцепления холостого хода и потокосцепления реакции якоря.

,

где потокосцепление результирующего магнитного потока фазы ; потокосцепление магнитного потока индуктора; потокосцепление реакции якоря.

ЭДС фазы А , наведенная потоком реакции якоря, отстает от потокосцепления на 90 . Вектор ЭДС фазы в режиме холостого хода представлен вектором .

Рис. 11

Если генератор нагружен индуктивностью, ток отстает от результирующей ЭДС на 90 . Векторная диаграмма ЭДС, тока и потокосцепления будет выглядеть так, как показано на рис. 7.11. ЭДС реакции якоря противоположна результирующей ЭДС .

Вектор потокосцепления индуктора и вектор потокосцепления реакции якоря противоположны по направлению и .

Следовательно, при индуктивной нагрузке результирующий магнитный поток меньше магнитного потока индуктора, т. е. индуктивная нагрузка приводит к размагничиванию машины.

Рис. 12

В случае емкостной нагрузки ток фазы обмотки опережает результирующую ЭДС на 90 . Токи статора создают свою составляющую намагничивающей силы и потокосцепления. Векторная диаграмма представлена на рис. 12.

Из диаграммы следует, что результирующее потокосцепление больше, чем потокосцепление основного магнитного потока главных полюсов. ЭДС генератора, работающего в режиме холостого хода, меньше, чем ЭДС генератора, нагруженного на конденсатор.

Таким образом, характер нагрузки синхронного генератора оказывает существенное влияние на выходное напряжение.

Реакция якоря в явнополюсной машине. Теория двух реакций

В машинах с явно выраженными полюсами длина воздушного зазора различна. Она мала под башмаками полюсов и очень большая в межполюсном пространстве. Синусоидальная намагничивающая сила реакции якоря, взаимодействуя с намагничивающей силой индуктора, создает результирующую магнитодвижущую силу. Ось результирующего магнитного поля смещена по отношению оси полюсов. Конфигурация результирующего поля и максимальное значение индукции будет изменяться при изменении угла смещения оси полюсов ротора относительно оси полюсов магнитного поля.

Для изучения влияния реакции якоря можно предположить, что магнитодвижущая сила (МДС) возбуждения и МДС реакции якоря создают в машине независимые потоки, которые в обмотке статора наводят независимые ЭДС.

У машин с явно выраженными полюсами магнитный поток зависит от положения результирующей МДС относительно оси полюсов. Для того чтобы проанализировать это явление, используют теорию двух реакций, примененную Блонделем, которая заключается в следующем.

Намагничивающую силу реакции якоря можно разложить на две следующие составляющие по отношению к осям магнитной цепи машины: продольную составляющую, максимум которой совпадает с осью полюсов, и поперечную составляющую, максимум которой совпадает с серединой пространства между полюсами.

Амплитуда составляющей реакции якоря, проходящей по продольной оси, будет:

и амплитуда поперечной составляющей

,

где - намагничивающая сила, созданная статорной обмоткой;

Fрп - продольная составляющая намагничивающей силы реакции якоря;

Fрт - поперечная составляющая намагничивающей силы реакции якоря;

- угол фазового сдвига между ЭДС машины, работающей в режиме холостого хода, и током якоря или статора.

Каждая из этих составляющих не меняет свое положение относительно оси полюсов. Поэтому для каждой из них можно найти соответствующие коэффициенты ( для продольной оси и ) для поперечной оси, которые позволят выразить намагничивающую силу реакции якоря в масштабе намагничивающей силы возбуждения. Для машин с неявно выраженными полюсами аналогично находят коэффициент .

Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного генератора

Векторная диаграмма напряжений имеет большое значение для анализа работы синхронной машины. Она позволяет определять изменение напряжения синхронного генератора. С помощью диаграммы напряжений можно определить условия работы машины в различных режимах без соответствующих испытаний. Она позволяет получить расчетным путем основные характеристики машины. Векторная диаграмма позволяет определить угол фазового сдвига ЭДС, наводимой полем возбуждения, и напряжения на ее зажимах.

При построении векторных диаграмм используют следующие положения теории электрических цепей:

а) падение напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки изображают вектором, длина которого пропорциональна току обмотки, а начальная фаза совпадает с начальной фазой тока;

б) магнитный поток рассеяния, пропорциональный току статорной обмотки, наводит в обмотке ЭДС, величина которой пропорциональна току этой обмотки. Вектор этой ЭДС отстает от тока на 90 . На векторных диаграммах эту ЭДС представляют в форме падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния . Вектор падения напряжения опережает ток на 90 (рис. 7.13) и равен ;

в) магнитный поток реакции якоря, тоже пропорциональный току в машинах с неявно выраженными полюсами, наводит свою ЭДС в фазной обмотке машины. На векторных диаграммах эту ЭДС представляют в форме падения напряжения на реактивном сопротивлении реакции якоря или ;

г) в машинах с явно выраженными полюсами продольная и поперечная составляющие намагничивающих сил создают свои ЭДС в обмотках, и эти ЭДС представляются в форме падений напряжений на продольном и поперечном реактивном сопротивле-нии и .

Рис. 13

Для построения векторной диаграммы используются два способа.

В соответствии с первым каждая намагничивающая сила рассматривается отдельно и создает свой собственный магнитный поток, который, в свою очередь, порождает свою электродвижущую силу. Таким образом, получают четыре независимых потока:

а) поток возбуждения ? создает основную ЭДС ;

б) магнитный поток продольной составляющей реакции якоря создает свою ЭДС;

в) поток поперечной составляющей реакции якоря создает свою ЭДС;

г) магнитный поток рассеяния.

В соответствии с теорией двух реакций Блонделя все потоки, созданные током нагрузки , раскладываются на продольную и поперечную составляющие.

Оценку реакции якоря синхронной машины по продольной и поперечной оси осуществляют по сопротивлениям реакции якоря ( и ), которые являются основными параметрами синхронной машины.

По второму способу прежде всего определяют результирующую намагничивающую силу генератора и после нахождения результирующего потока зазора определяют ЭДС, наводимую в машине. Диаграмма намагничивающих сил, полученных таким образом, называется диаграммой Потье или диаграммой электро- и магнитодвижущих сил.

Необходимо отметить то, что векторные диаграммы синхронного генератора могут быть использованы для анализа её работы в режиме двигателя или синхронного компенсатора.

Диаграмма электродвижущих и намагничивающих сил трехфазных синхронных генераторов с неявно выраженными полюсами

В настоящем и последующих разделах векторные диаграммы будем строить для одной фазы трехфазной системы напряжений.

Рис. 14

Построим диаграмму трехфазного асинхронного генератора для случая активно-индуктивной нагрузки . Направим вектор напряжения на зажимах генератора по положительной оси ординат (рис. 14) и проведем вектор тока отстающим от вектора напряжения на угол .

Проведем вектор ЭДС , созданной магнитным потоком возбуждения . Вектор магнитного потока опережает вектор ЭДС на угол 90 . Сопротивление реакции якоря синхронного генератора с неявно выраженными полюсами по продольной и поперечной оси одинаково и равно .

Реальная ЭДС обмотки статора нагруженного генератора равна разности

или .

Выходное напряжение генератора определяется из уравнения

;

,

где - реактивное сопротивление рассеяния;

- активное сопротивление фазной обмотки.

Рис. 15

Рис.15 представляет векторную диаграмму напряжений для случая емкостной нагрузки, когда ток опережает напряжение на угол .

Сравнивая диаграммы, мы видим, что при индуктивной нагрузке реакция якоря действует на систему возбуждения размагничивающе. Реальная ЭДС нагруженного генератора меньше ЭДС генератора, работающего в режиме холостого хода.

При емкостной нагрузке генератора (см. рис.15) реакция якоря имеет намагничивающее действие. Реальная ЭДС генератора больше ЭДС холостого хода.

Векторная диаграмма ЭДС трехфазного синхронного генератора с явно выраженными полюсами (диаграмма Блонделя)

В машинах с явно выраженными полюсами намагничивающая сила реакции якоря создает поток реакции якоря, который, в свою очередь, наводит в обмотках ЭДС реакции якоря. В соответствии с методом Блонделя намагничивающая сила реакции якоря должна быть представлена в виде суммы двух составляющих. Продольная и поперечная составляющие зависят от геометрической формы полюсов. С помощью коэффициентов поля реакции якоря и находят продольную и поперечную составляющие реакции, отнесенные к обмотке возбуждения

и .

Рис. 16



Эти составляющие реакции якоря и порождают магнитные потоки и , которые наводят ЭДС в обмотке статора. Это разложение по составляющим позволяет построить диаграмму напряжений для машины с явно выраженными полюсами таким же методом, как и для машин с неявно выраженными полюсами.

На рис. 16 представлена векторная диаграмма напряжений генератора, нагруженного индуктивной нагрузкой. Диаграмма построена следующим образом.

Разложим ток на поперечную составляющую , которая совпадает по направлению с вектором ЭДС , и продольную составляющую , которая отстает от ЭДС на .

Рис. 17

Продольный поток и поперечный поток , порожденные соответствующими токами, создают ЭДС и .

Коэффициенты реакции якоря и не равны между собой. По этой причине вектор реакции якоря опережает ток на угол, который отличается от 90 , тогда как в машинах с неявно выраженными полюсами падение напряжения реакции якоря сдвинуто по отношению к току точно на 90 .

На рис. 17 представлена диаграмма напряжений при емкостной нагрузке. Строится эта диаграмма аналогично предыдущей.

Изменение напряжения на выходе синхронного генератора

Важным показателем синхронного генератора является чувствительность выходного напряжения к изменению тока нагрузки.

В идеальном случае напряжение на зажимах генератора должно быть неизменным как при изменении тока, так и характера нагрузки, определяемого коэффициентом мощности. У реальных генераторов, если не предусмотрено реальных устройств стабилизации, напряжение изменяется, как при изменении тока, так и при изменении коэффициента мощности нагрузки. Основной причиной изменения напряжения является реакция якоря и наличие магнитного потока рассеяния. Меньшее влияние на изменение напряжения оказывает активное сопротивление статорной обмотки.

Синхронное сопротивление

Анализируя векторную диаграмму генератора с неявно выраженными полюсами, можно констатировать то, что векторы падения напряжения на сопротивлении рассеяния и на сопротивлении реакции якоря совпадают по фазе. В соответствии с векторной диаграммой выходное напряжение генератора определяется уравнением

или .

Для вычисления выходного напряжения достаточно знать сумму , а не каждое сопротивление в отдельности. Для простоты сумму сопротивления рассеяния и сопротивление реакции якоря называют синхронным сопротивлением

.

Величина синхронного сопротивления достаточно легко определяется экспериментально и используется при определении изменения напряжения на зажимах генератора.

Для генератора с явно выраженными полюсами векторная сумма падений напряжений на продольном и поперечном сопротивлении реакции якоря не совпадает по фазе с падением напряжения на сопротивлении рассеяния. Однако фазовый сдвиг между ними не велик, поэтому на практике генераторы с явно выраженными полюсами рассматриваются как генераторы с неявно выраженными полюсами. В этом случае и у таких генераторов используется характеристика, называемая синхронным сопротивлением.

Изменение напряжения на выходе генератора при изменении нагрузки

Синхронные генераторы функционируют в условиях изменения коэффициента мощности в широких пределах. С учетом введенного сопротивления напряжение на выходе генератора и ЭДС фазы генератора связаны соотношением

.

Этому уравнению соответствует схема замещения, представленная на рис. 18.

Рис. 18



Рис. 19

Если начальную фазу тока нагрузки принять равной нулю, то векторная диаграмма тока и напряжений при произвольном коэффициенте мощности нагрузки будет выглядеть так, как это представлено на рис. 19.

При постоянном токе возбуждения ЭДС холостого хода остается постоянной. На изменение напряжения на выходе генератора оказывает влияние изменение коэффициента мощности нагрузки. Изменение величины сопротивления нагрузки приводит также к изменению напряжения на выходе генератора.

Рис. 20

Рассмотрим изменение выходного напряжения, вызванное изменением коэффициента мощности нагрузки (рис. 7.20) при постоянном токе .

При изменении ? от 90 до +90 конец вектора ЭДС опишет окружность радиусом Е в пределах от точки А до точки В. Вектор выходного напряжения будет выходить из точки и при изменении будет скользить по полученной окружности. Из практики известно, что у реальных генераторов больше сопротивления обмотки якоря в 6…10 раз, поэтому модуль выходного напряжения практически всегда будет увеличиваться при уменьшении угла от +90 до 90 .

Если пренебречь активным сопротивлением , то минимальное напряжение на выходе будет равно

и максимальное напряжение

.

График зависимости выходного напряжения в функции изображен на рис. 21.

На рис. 22 изображена векторная диаграмма при произвольном токе и при .

Рис. 21



Рис. 22

Длина векторов и пропорциональна току, поэтому при изменении тока начало вектора всегда будет находиться на прямой , а конец вектора на окружности. Так как является величиной неизменной, то все векторы напряжений при различных значениях тока будут параллельны.

Так при уменьшении тока в два раза падение напряжения на сопротивлении и индуктивном сопротивлении уменьшится в два раза. Начало вектора выходного напряжения из точки перейдет в точку . Выходное напряжение увеличится и будет равно .

При емкостном характере нагрузки (рис. 23) уменьшение тока приводит к уменьшению напряжения на выходе генератора .

Рис. 23



Графики зависимости выходного напряжения от тока нагрузки называют внешними характеристиками, которые будут рассмотрены ниже.

Основные характеристики синхронного генератора

Рассматривают пять основных характеристик синхронного генератора:

1) характеристику холостого хода,

2) характеристику короткого замыкания,

3) нагрузочные характеристики,

4) внешние характеристики,

5) регулировочные характеристики.

Характеристика холостого хода

Рис. 24

Характеристикой холостого хода называют зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при токе нагрузки, равном нулю, и постоянной скорости вращения ротора генератора. Характеристика холостого хода снимается при и . Она выражает зависимость электродвижущей силы машины, работающей в режиме холостого хода, от тока возбуждения (рис. 24).

Это характеристика по своей сути является характеристикой магнитной цепи генератора, так как его намагничивающая сила в режиме холостого хода пропорциональна току возбуждения, а электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку.

Таким образом, учитывая то, что магнитный поток пропорционален индукции, а намагничивающая сила пропорциональна напряженности на участках магнитной цепи, характеристика холостого хода машины в некотором смысле повторяет кривую намагничивания магнитопровода. Характеристика холостого хода, снятая по полному циклу, неоднозначна, как и кривая намагничивания.

Однако для построения других характеристик и построения диаграмм используют усредненную по характеристику или обратную ветвь, а в качестве начальной точки используют пересечение кривой с осью ординат. Характеристика может быть построена в относительных единицах.

При расчете электрических цепей с большим количеством синхронных генераторов исходят из нормальной характеристики холостого хода.

Характеристика короткого замыкания

Характеристикой короткого замыкания называют зависимость тока генератора, выходные зажимы которого замкнуты от тока возбуждения при номинальной постоянной скорости вращения ротора . Характеристика короткого замыкания представлена на рис. 25.

Вместе с характеристикой холостого хода характеристика короткого замыкания позволяет определить характеристический треугольник сопротивления. Результирующий магнитный поток машины в режиме короткого замыкания создает только небольшую ЭДС , которая компенсирует падение напряжения . Магнитная цепь машины не насыщена и поэтому характеристика короткого замыкания является практически прямой линией (см. рис. 25).



Рис. 25

Можно рассматривать характеристики короткого замыкания для различных частот вращения, так как реактивное индуктивное сопротивление и ЭДС, наводимая обмоткой возбуждения, изменяются пропорционально частоте. Рассмотрим диаграмму ЭДС короткозамкнутого генератора.

Диаграмма ЭДС короткозамкнутой машины получена из обычной диаграммы для (рис. 26). Сопротивление много меньше индуктивного сопротивления, и поэтому им можно пренебречь.

Рис. 26

Рис. 27



Таким образом,

.

На рис. 27 представлены характеристика холостого хода () и характеристика короткого замыкания .

Если по характеристике короткого замыкания определить ток возбуждения, соответствующий номинальному току, на характеристике холостого хода можно найти ЭДС, соответствующую току возбуждения, при котором магнитная система машины практически не насыщена. ЭДС , соответствующая этому току возбуждения при коротком замыкании, может быть найдена на продолжении прямолинейной части характеристики холостого хода. Току возбуждения соответствует магнитодвижущая сила возбуждения.

Нагрузочная характеристика

Рис. 7.28

Нагрузочная характеристика выражает собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при номинальном токе нагрузки , неизменной частоте сети и постоянном значении коэффициента мощности (рис. 28).

Нагрузочная характеристика при (кривая 4) представляет собой практический интерес, так как позволяет определить синхронное реактивное индуктивное сопротивление.

Для генератора, нагруженного сопротивлением с коэффициентом мощности, равным нулю (), нагрузочная характеристика 1 может быть получена путем перемещения характеристического треугольника по характеристике холостого хода. Но для этого необходимо использовать треугольник, который центрально симметричен характеристическому треугольнику относительно точки . Это объясняется тем, что при емкостном характере нагрузки падение напряжения вызывает увеличение напряжения и реакция якоря имеет намагничивающее воздействие.

Используя нагрузочную характеристику и характеристику холостого хода, строят диаграмму Потье и определяют сопротивление Потье . Сопротивление Потье несколько больше сопротивления рассеяния статорной обмотки. Для машин с явно выраженными полюсами и для машин с неявно выраженными полюсами .

При () вся реакция якоря оказывает размагничивающее действие. При постоянном токе нагрузки получают ту же величину размагничивающей силы МДС для всех значений напряжения до . Если изменить ток возбуждения для поднятия нагрузочной характеристики при , вершина треугольника реакции якоря скользит по характеристике холостого хода, а вершина опишет кривую нагрузочной характеристики.

Внешние характеристики

Внешней характеристикой генератора называют зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянном токе возбуждения, постоянной скорости вращения ротора и постоянном коэффициенте мощности при , и . Общий вид внешних характеристик генератора представлен на рис.29.

Рис. 29

При индуктивной нагрузке реакция якоря и падение напряжения вызывают снижение напряжения, и поэтому внешняя характеристика падающая.

Для случая резистивной нагрузки напряжение на зажимах синхронного генератора уменьшается при увеличении тока нагрузки из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении обмотки якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря.

В случае емкостной нагрузки при и намагничивающее действие реакции якоря приводит к увеличению напряжения на зажимах генератора при увеличении тока нагрузки (см. рис. 29).

Все характеристики прерываются в точке, соответствующей величине тока короткого замыкания.

Регулировочные характеристики генератора

Регулировочные характеристики определяют зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на зажимах генератора и постоянной величине коэффициента мощности. Они показывают, как должен изменяться ток возбуждения для поддержания постоянным напряжения на зажимах генератора при изменении тока нагрузки при ,, .

Регулировочная характеристика показывает, каким образом необходимо изменять ток возбуждения для поддерживания неизменным напряжения на зажимах генератора.

Рис. 30

При индуктивной нагрузке (кривая 1, рис. 30) для поддерживания напряжения неизменным необходимо увеличить ток возбуждения, так как реакция якоря имеет размагничивающее действие. В случае емкостного характера нагрузки (кривая 3, рис. 7.30) реакция якоря имеет намагничивающий характер, и ток возбуждения необходимо снижать при увеличении тока нагрузки для поддержания неизменным выходного напряжения. Поэтому имеется серия регулировочных характеристик для различных значений коэффициента мощности (см. рис. 7.30).

Включение в сеть трехфазных генераторов или параллельная работа генераторов переменного тока

При эксплуатации трехфазных генераторов для проведения профилактических работ или ремонта возникает необходимость отключения генератора от сети и последующая его постановка под нагрузку. Нагрузку предназначенного к отключению генератора берут на себя другие генераторы, поэтому практически всегда синхронные генераторы электростанций большой мощности работают в параллельном режиме не только с генераторами собственной электростанции, но и с генераторами других электростанций, объединенных в единую энергетическую систему. В этом случае мощность сети энергетической системы многократно превышает мощность отдельного генератора, поэтому можно считать, что напряжение и частота сети являются величинами постоянными, не зависящими от отдельно взятого генератора.

При отключении генератора от сети, равно как и при его подключении к сети, необходимо избежать скачкообразного изменения тока генератора, так как это может привести к нарушению изоляции, механическим ударам и выходу из строя самого генератора.

При отключении генератора сначала уменьшают до нуля механический момент приводного механизма, затем током возбуждения снижают ток генератора до минимального значения и потом отключают генератор от сети.

Включение генератора в сеть возможно при выполнении следующих условий:

1) электродвижущая сила генератора должна быть равной напряжению сети;

2) частота напряжения генератора должна быть практически равной частоте сети;

3) порядок следования фаз генератора и сети должен быть одинаковым;

4) для исключения броска тока в момент подключения генератора к сети начальные фазы фазных напряжений должны быть равными.

Процесс подготовки подключения генератора в сеть и само подключение называют синхронизацией.

Для контроля выполнения указанных условий используются синхроскопы. На первом этапе синхронизации используют ламповые синхроскопы, состоящие из трех ламп, номинальное напряжение которых в два раза больше фазного напряжения сети.

С помощью ламповых синхроскопов возможен контроль порядка следования фаз и частоты генератора. Выполнение первого требования равенства ЭДС генератора напряжению сети с помощью ламп проконтролировать трудно из-за того, что световое видимое излучение они обеспечивают при напряжении, равном 0,2…0,3 номинального. Поэтому для этого используются вольтметры.

На схеме показано подключение вольтметра .

Лампы синхроскопа могут быть включены «на потухание» или на «круговой огонь».

Если лампы синхроскопа включены «на потухание» (рис. 31) при правильном порядке следования фаз напряжение на зажимах каждой лампы может быть определено из векторной диаграммы (рис. 32).

Рис. 31

Рис. 32

Векторы фазных напряжений сети вращаются на комплексной плоскости с частотой . Векторы фазных ЭДС генератора вращаются с частотой ; Если , то действующее значение напряжения на лампе «а» синхроскопа будет изменяться по закону .

Если частота генератора будет равна частоте сети и их начальные фазы будут равны, напряжение на лампе «а» будет равно нулю.

При совпадении порядка следования фаз напряжение на двух других лампах будет тоже равно нулю, и все три лампы погаснут.

Рис. 33

При несовпадении порядка следования фаз генератора и сети векторная диаграмма напряжений сети и ЭДС генератора будет выглядеть так, как это представлено на рис. 33.

Даже при равенстве частот генератора и сети, равенстве ЭДС генератора фазным напряжениям сети и равенстве начальных фаз и напряжение на лампе будет равно нулю, а напряжения на двух других лампах будут равны линейным напряжениям, и они будут гореть ярко. Если частота генератора в этом случае будет меньше частоты сети, то с течением времени напряжение на лампе «а» и «b» будет увеличиваться, а на лампе «с» уменьшаться. В определенный момент времени лампа «с» погаснет, а лампы «а» и «b» будут гореть ярко. В последующем погаснет лампа «b» и т. д.



Рис. 34

При расположении ламп на окружности (рис. 34) при из-за последовательного погасания ламп a-c-b-a-c-b… создается впечатление огня, вращающегося против часовой стрелки. При этом частота вращения огня будет равна разности частот сети и генератора. Аналогично можно показать, что при частоте генератора большей частоты сети, направление вращения огня изменится на противоположное, т. е. вращение будет по часовой стрелке.

Таким образом, при включении ламп «на потухание» «вращающийся огонь» указывает на несовпадение порядка следования фаз сети и генератора. В этом случае необходимо поменять провода любых двух фаз генератора и провести синхронизацию снова.

Генератор можно подключить к сети только в том случае, если все лампы погасли, а вольтметр в лучшем случае показывает нулевое напряжение между клеммами сети и генератора.

Включение ламп «на потухание» не дает возможности определить соотношение частоты сети и генератора. Этим недостатком не обладает схема включения ламп «на круговой огонь» (рис. 35).



Рис. 35

В этой схеме две лампы подключены к зажимам различных фаз. В этом случае вращение огня против часовой стрелки указывает на то, что частота генератора меньше частоты сети. Это дает возможность изменять частоту вращения приводного механизма генератора в нужном направлении для получения равенства частот.

При включении ламп синхронизатора на «круговой огонь» подключение генератора к сети возможно в следующих случаях:

а) огонь не вращается (одна из ламп не горит);

б) вольтметр показывает нулевое напряжение.

Угловые характеристики синхронных генераторов

Электрическая мощность синхронной машины определяется ее электрическими параметрами.

Активная составляющая мощности

,

где и - фазное напряжение и фазный ток,

- количество фаз машины.

Механический момент на валу синхронного генератора или синхронного двигателя выражается через активную мощность и частоту вращения вала машины. В режиме идеального холостого хода ось симметрии магнитного поля машины совпадает с геометрической осью симметрии полюсов индуктора. При увеличении развиваемой мощности синхронной машины ось магнитного полюса якоря смещается в пространстве относительно оси полюса индуктора на некоторый угол. В двухполюсной машине этот угол будет практически совпадать с фазовым сдвигом между ЭДС холостого хода и приложенным напряжением . В многополюсной машине пространственный угол смещения равен отношению к количеству пар полюсов машины .

Зависимость мощности машины и механического момента от угла называют угловыми характеристиками синхронной машины. Установим эту зависимость.

Рис. 36

Рассмотрим векторную диаграмму синхронного генератора с неявно выраженными полюсами. Учитывая то, что в реальных машинах активное сопротивление обмотки статора меньше синхронного сопротивления, пренебрежем этим активным сопротивлением. Упрощенная векторная диаграмма генератора приведена на рис. 36. На векторной диаграмме и отрезок есть проекция вектора на направление вектора напряжения , т. е. . Тогда .

С другой стороны, угол равен , так как и прямоугольные и . В треугольнике катет или . Таким образом, . В ра-нее записанной формуле . или .

При параллельной работе генератора с сетью и при неизменном токе возбуждения напряжение и ЭДС являются величинами постоянными. Следовательно, мощность и угол связаны между собой синусоидальной зависимостью. При постоянной частоте вращения механический момент пропорционален мощности . Следовательно

.

Рис. 37

В случае генераторов с явно выраженными полюсами магнитное сопротивление машины на единицу длины воздушного зазора зависит от положения точки в зазоре относительно полюсов индуктора. Используя теорию двух реакций и понятия продольной и поперечной составляющих реакции якоря, можно построить векторную диаграмму генератора с явно выраженными полюсами (рис. 37). Продольное и поперечное сопротивления не равны между собой.



Активная мощность генератора

Здесь есть проекция вектора на направление вектора , и является проекцией вектора тока на направление, перпендикулярное вектору . Тогда и , следовательно,

;

Подставляя и в формулу мощности, получаем:

или .

Электромагнитный момент на валу генератора в этом случае для двухполюсной машины

.

Зависимость электромагнитного момента и электромагнитной мощности от пространственного угла называется угловыми характеристиками. Общий вид угловых характеристик синхронных машин с явно выраженными и неявно выраженными полюсами представлен на рис. 38.

Рис. 38

Так как электромагнитный момент пропорционален мощности, поэтому на графике представлены угловые характеристики моментов неявнополюсной машины (рис. 38, кривая а) и явнополюсной машины (рис. 7.38, кривая б).

Если зависимость неявнополюсной машины практически синусоидальна, то угловая характеристика явнополюсной машины отличается от синусоидальной зависимости из-за влияния второй слагаемой формулы соответствующей теоретической характеристики.

В области отрицательных значений пространственного угла электромагнитный момент имеет отрицательное значение. Это соответствует работе синхронной машины в режиме двигателя, т. е. преобразователя электрической энергии в механическую энергию.

Мощность синхронизации и момент синхронизации

Способность синхронной машины оставаться в синхронизме с сетью называется стабильностью. Машина стабильна, если производная электромагнитного момента по пространственному углу будет положительной

Это значит, что положительному приращению угла должно соответствовать положительное приращение момента и отрицательному приращению угла соответствовать отрицательное приращение момента. Производную электромагнитного момента по углу называют синхронизирующим моментом

,

а производная мощности по углу называется синхронизирующей мощностью

.

Синхронизирующий момент уменьшается с увеличением угла и равен нулю при . Статическая стабильность машины ограничена максимальным электромагнитным моментом

.

В нормальных условиях синхронная машина работает далеко от предела статической стабильности. Это объясняется тем фактом, что пока угол становится больше 40 , синхронизирующий момент быстро уменьшается, это говорит о том, что большому изменению угла соответствует только малое увеличение мощности.

В большинстве случаев у синхронных машин угол при номинальной нагрузке не превосходит 20-30 .



Влияние тока возбуждения на режим работы синхронного генератора

Электродвижущая сила синхронной машины, работающая параллельно с сетью, может быть в фазе с напряжением сети и равна этому напряжению. В этом случае ток, протекающий в машине, равен нулю и по отношению к сети. Электродвижущую силу обмотки статора можно изменить путем изменения тока возбуждения. В обмотке статора появится некоторое нарушение равновесия, определяемое разностью ЭДС статора и напряжением сети. В обмотке потечет ток, величина которого будет зависеть от сопротивления обмотки статора

.

В этом случае машина не отдает в сеть активной мощности, так как ток будет чисто реактивным по отношению к вектору () и сдвинут по фазе относительно разности напряжений () на 90 (рис. 39, а).

Рис. 39



Рис. 40

Можно сказать, что синхронная машина перевозбуждена, когда ток статора отстает от напряжения , а в недовозбужденной машине ток опережает напряжение (рис. 39, б). При постоянном механическом моменте на оси машины, не равном нулю, когда электрическая мощность поставляется в сеть постоянно и не равна нулю, машина работает в режиме генератора.

Активная мощность машины в этом случае постоянна , напряжение на зажимах генератора тоже постоянно . Таким образом, величина постоянная. При изменении тока возбуждения активная составляющая тока должна оставаться постоянной и конец вектора тока будет перемещаться по прямой , перпендикулярной (рис. 40). С другой стороны, величина постоянная и является отрезком перпендикуляра, опущенного из конца вектора на направление . В этом случае конец вектора при изменении тока возбуждения переместится по прямой , параллельной напряжению и находящейся на расстоянии от него (см. рис. 40).



Рис. 41

При изменении тока возбуждения, ток статора генератора имеет минимальное значение при , что соответствует переходу от недовозбужденного состояния к перевозбужденному. Соответствующая характеристика зависимости напоминает по форме букву и ее называют -образной характеристикой. Каждому значению мощности нагрузки соответствует своя -образная характеристика (рис. 41).

Значения тока возбуждения, соответствующие коэффициенту мощности (на рисунке эти значения представлены пунктирной линией) увеличиваются с увеличением мощности нагрузки. Этот факт объясняется увеличением потерь в обмотке статора и увеличением падений напряжений и .

Потери энергии и коэффициент полезного действия синхронного генератора

Процесс преобразования механической энергии в электрическую энергию сопровождается потерями. На рис. 42 представлена диаграмма распределения мощности в генераторе. Часть механической мощности приводного двигателя теряется на преодоление механического момента, обусловленного силой трения в подшипниках ротора .



Рис. 42

Дополнительные виды потерь представлены на диаграмме потерями .

Кроме этого, в генераторе имеют место потери, расходуемые на возбуждение и компенсируемые возбудителем постоянного тока, находящимся, как правило, на одном валу с синхронным генератором . Обмотка возбуждения может получать питание от сети через выпрямитель, поэтому при автономной работе генератора мощность, теряемая на возбуждение, снимается с выходных зажимов генератора. Мощность, теряемая на возбуждение генератора, составляет 0,3…1 % от его номинальной мощности, и поэтому этой мощностью иногда пренебрегают.

Очевидны потери мощности на нагревание обмоток статора . Величина этих потерь определяется сопротивлением обмоток и силой тока статора. При этом мощность потерь в проводах обмотки пропорциональна квадрату тока.

Работа генератора связана с использованием вращающегося магнитного поля. Магнитопровод статора находится, таким образом, в изменяющемся магнитном поле и перемагничивается с частотой вращения индуктора. Перемагничивание магнитопровода связано с потерями на перемагничивание и на вихревые токи . Потери на перемагничивание и на вихревые токи практически не зависят от выходной мощности.

...