Технические характеристики и конструкция современных генераторов

Характеристики синхронного генератора

Характеристика холостого хода. Одной из таких характеристик для синхронного генератора является график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме холостого хода Ui — Eq от тока возбуждения 1p при #2=const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики на холостом ходу показана на рис. 7.1, а. Если характеристики холостого хода разных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е* = / (/^), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будет очень похожа на нормальную характеристику холостого хода (рис. 7.1.6), которая используется при расчетах синхронных машин:

4… 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Е* … 0,58 1,0 1,21 1,33 1,40 1,146 1,51

Относительная ЭДС E*= U}/UiHOM; относительный ток возбуждения в режиме покоя = 1р/1р» ом, где 1рном — ток возбуждения в режиме

холостой ход, соответствующий Uj = U}flOM.

Постепенное отклонение характеристики холостого хода от линейного закона связано с процессом насыщения магнитопровода.

Характеристика короткого замыкания. Характеристика трехфазного короткого замыкания получается следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 7.2, а) и при вращении ротора с частотой вращения n2 ток возбуждения постепенно увеличивают до значение, при котором ток короткого замыкания превышает номинальный рабочий ток обмотки статора не более чем на 25 % (1 k = 1,25 IiHOM) — Активное сопротивление обмотки статора мало по сравнению с его индуктивным сопротивлением.

Поэтому, принимая ri « 0, можно считать, что при опыте короткого замыкания нагрузка синхронного генератора (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Отсюда следует, что при опыте короткого замыкания реакция якоря синхронного генератора носит продольный размагничивающий характер.

Векторная диаграмма, построенная для генератора при испытании трехфазного короткого замыкания, представлена ​​на рис. 7.2, в. Из диаграммы видно, что ЭДС Ek, наводимая в обмотке статора, полностью уравновешивается ЭДС продольной реакции якоря Ead = — jldxad и ЭДС диссипации Ka = — A*ov, т е. — Ек = Еу + Ет.

0,5lf „J,S 2,5 f

По характеристике холостого хода можно определить коэффициент насыщения.

В этом случае МДС обмотки возбуждения имеет, так сказать, две составляющие: одна компенсирует падение напряжения y’/2had, а другая компенсирует размагничивающее действие реакции якоря jldxad.

Характеристики холостого хода и короткого замыкания позволяют определить значения токов возбуждения, соответствующие указанным составляющим намагничивающего МДС. Для этого в одних осях строятся свойства холостого хода и короткого замыкания (рис. 7.3), а по оси

по оси ординат отмечены относительные значения напряжения холостого хода Е * = Ui / Uj «аМ и тока короткого замыкания 4 = hJhm * — По оси ординат отложен отрезок ОВ, выражающий значение ЭДС рассеяния Esh zg — jitX ^ a по шкале напряжений. Затем точку B относят к характеристике короткого замыкания (точка B’) и опускают перпендикуляр B’D по оси абсцисс. Полученная точка D Таким образом, ток возбуждения 1/кмшш разделили на две части: 1к — ток возбуждения, необходимый для компенсации падения напряжения jlxaa, а 1к — ток возбуждения, компенсирующий продольную реакцию размагничивания якоря.

Одним из важных параметров синхронной машины является коэффициент короткого замыкания (СКЗ), представляющий собой отношение между током возбуждения Ijohom-, который соответствует номинальному напряжению на холостом ходу, и током возбуждения ^„ ^, который соответствует номинальное напряжение тока статора при испытании на короткое замыкание (рис. 7.3):
OKZ = lfQnoJ Если к ном (7 • 1)

В случае ненасыщенной магнитной системы синхронной машины КБК можно рассчитать по формуле 6:

ОКЗ = -4-(7,2)

Для турбогенераторов 00=0,4^0,7; для гидрогенераторов ОК3=1,0-ф-1,4. Это различие объясняется тем, что при одинаковой номинальной мощности клиренс турбогенераторов меньше, чем у гидрогенераторов, и поэтому у них больше xd = 1/d.

Максимальный момент (9.4) обратно пропорционален величине Xd и, следовательно, прямо пропорционален величине воздушного зазора. При увеличении максимального крутящего момента, что будет показано ниже (стр. 14), увеличивается перегрузочная способность машины.

Внешние характеристики синхронного генератора. Он представляет собой зависимость напряжения на зажимах обмотки статора от величины тока нагрузки: Uj=f (Ii) при If=const; еоскп = константа; n2 — константа. На рис. 7.4, а внешние характеристики представлены, соответствующие нагрузкам синхронного генератора, которые имеют разный характер.

При активной нагрузке (cosj увеличение Ui при снижении нагрузки происходит более интенсивно, так как с уменьшением тока Ii ослабевает размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря. Однако при емкостной нагрузке генератора (coscpj < 1; кап.) уменьшение // сопровождается уменьшением напряжения Ui, что объясняется ослаблением автомата и его влиянием на продольную составляющая реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора при падении номинальной нагрузки при // ■ = const и u = const называется номинальным изменением (приростом) напряжения (%):

где AUlHOM — изменение напряжения на зажимах генератора (при работе отдельно от других генераторов) при изменении нагрузки от номинального значения до нуля и при постоянном токе намагничивания. При емкостной нагрузке на генератор tdJHOM имеет отрицательное значение.

Величина АУХОМ не регламентируется, но во избежание повреждения изоляции обмотки АУХ0М не должна превышать 50%.

Управляющие характеристики синхронного генератора. На ней показано, как должен изменяться ток возбуждения генератора при изменении нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменным при номинальном значении: Если=f(Ii), то Ui = UH0M = const; n/= const и cosspj = const.

При активной нагрузке (cos|/=T) поперечная реакция якоря имеет размагничивающую характеристику для компенсации ее влияния на значения Fg и U при увеличении тока нагрузки // ток возбуждения должен быть увеличена.

При индуктивном характере нагрузки (cosi|/U, вследствие чего для сохранения U=const необходимо уменьшать ток возбуждения на возрастание.

Нагрузочные характеристики синхронного генератора. Эта характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения генератора от тока возбуждения при постоянном токе нагрузки, коэффициенте мощности и частоте вращения: Ui=f(lJ при 7/=const; cosspj=const; nr=const.

Для синхронных генераторов эта характеристика является дополнительной, так как служит для экспериментального определения некоторых параметров, например индуктивного сопротивления утечки хаа. В таком случае убрать нагрузочную характеристику с чисто индуктивной нагрузкой (cos(pj=0).

Существует несколько методов определения хаа. Наиболее простым и точным является метод Г. Н. Петрова 2. На нагрузочной характеристике произвольно выбирают точку[ C] и отмечают криволинейный угол AiBiCi со стороной BiCi, параллельной оси абсцисс.

Затем этот угол переносится параллельно самому себе так, чтобы точка С совпадала с точкой С, соответствующей номинальному напряжению на выходе генератора UimM. В результате получается треугольник ABC, у которого сторона BC равна отрезку B}C. После опускания перпендикуляра из точки А на прямую ВС получается отрезок AD = 11хоа, где // — ток нагрузки, при котором снимается нагрузочная характеристика. Индуктивность рассеяния на обмотку статора хаа=AD/I}. (7.4)

Для устранения некоторой неточности, связанной с тем, что магнитное насыщение машины в точках С} и С неодинаково, графическое построение производят дважды, выбирая для определения начального угла, кроме точки С / которая лежит ниже точки С, также точка, лежащая выше точки С. Сопротивление xaa в этом случае определяется как среднее арифметическое двух полученных значений.

Принцип работы

Исходя из п. 53 ГОСТ 27471-87, понятие синхронный двигатель подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. Там в установившемся режиме соотношение между частотой вращения ротора и частотой тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальном режиме работы.

С практической точки зрения это выглядит так:

• на обмотки статора подается трехфазное напряжение, называемое также якорем;
• по мере увеличения амплитуды синусоиды в одной фазе пропорционально будет возрастать ток и создаваемое вокруг обмотки электромагнитное поле;
• ввиду того, что синусоида возрастает во всех трех фазах двигателя поочередно, пик максимального электромагнитного поля будет смещаться от одной обмотки к другой по часовой стрелке;
• магнитное поле ротора (индуктора) попеременно притягивается собственными полюсами к противоположному знаку вектора поля статора.

Типы синхронных двигателей

В целом синхронные двигатели делятся на несколько категорий в зависимости от их конструктивных особенностей.

Итак, чтобы получить поток возбуждения, используйте:

• обмотка на роторе
  — для обеспечения электромагнитного взаимодействия питание обмотки осуществляется от внешнего источника;
• магнитный ротор
  – вспомогательное магнитное поле ротора создается установленными на нем постоянными магнитами;
• реактивный ротор
  — форма магнитопровода индуктора выполнена таким образом, что силовые линии якоря разрываются до достижения синхронного вращения.

В зависимости от конструкции ротора различают явнополюсные и неявнополюсные синхронные двигатели.

По режиму работы они могут использоваться как электродвигатель, генератор или синхронный компенсатор.

Основные характеристики синхронных генераторов

Основными характеристиками синхронных генераторов являются:

— характеристика холостого хода;

Характеристика холостого хода показывает зависимость ЭДС генератора от величины тока возбуждения при постоянной частоте и отключенной нагрузке, т е на холостом ходу Е = f(Iv) при In = 0, n = const.

В нижней части характеристика холостого хода справедлива, так как при малых индукциях большая часть МДС (Вт Iв) расходуется на преодоление воздушного зазора между статором и ротором с помощью магнитного потока, а для воздуха зависимость есть Ф = f(Iв)) линейна. Стальные участки в магнитопроводе при малых индукциях не оказывают значительного сопротивления магнитному потоку.

При дальнейшем увеличении МДС и расхода сказывается магнитное насыщение стали, в результате чего магнитное сопротивление стальных профилей начинает быстро возрастать, и для их преодоления при поток. Поэтому характеристика начинает наклоняться к оси x и становится криволинейной.

При полном насыщении стали в магнитопроводе, которое происходит при очень больших МДС, характеристика холостого хода снова выпрямляется, но наклон оси абсцисс значительно меньше, чем на начальном линейном участке.

Характеристика холостого хода определяет характеристики магнитопровода синхронного генератора. Она аналогична кривой намагничивания, которая рассматривалась в теме магнитопроводов, имеет восходящую и нисходящую ветви из-за наличия гистерезиса в сердечнике машины.

Рабочая точка А, соответствующая номинальному режиму работы генератора, обычно выбирается на изгибе («колене») характеристики холостого хода.

Внешняя характеристика показывает, как изменяется напряжение на генераторе при изменении тока нагрузки и постоянной скорости, а также при постоянных коэффициенте мощности и токе возбуждения

С увеличением нагрузки, подключенной к генератору, увеличивается ток якоря Iа. Это приводит к увеличению падения напряжения в обмотке якоря. Так из основного уравнения генератора U = E — Ia · Rya следует, что напряжение на выходе генератора будет уменьшаться за счет:

— изменения напряжения на обмотке якоря Iа · Rя ;

— изменения ЭДС Е за счет реакции якоря в зависимости от характера нагрузки.

При подключении нагрузки другого типа (R, L, C) внешняя характеристика будет другой. Это связано с влиянием тока якоря на магнитное поле генератора. Используя закон электромагнитной индукции и известные фазовые соотношения (ток на индуктивности отстает от напряжения на угол 90 0 , а на емкости опережает напряжение на такой же угол), можно увидеть, что при подключении емкости, ток нагрузки (якоря) намагничивает генератор (за счет продольной намагничивающей реакции якорей).

При индуктивной нагрузке ток якоря наиболее сильно размагничивает генератор (сильно сказывается влияние продольной реакции размагничивания якоря).

Характеристика управления показывает, как должен изменяться ток возбуждения синхронного генератора при изменении тока нагрузки для поддержания напряжения Iв = f (I) неизменным при U, n, cos = const.

Различный характер кривых опять-таки обусловлен фазовыми соотношениями в цепях с различной нагрузкой, а также во внешней характеристике.

Для поддержания напряжения неизменным при активной, а тем более активно-индуктивной нагрузке, когда сильно влияет продольная реакция размагничивания якоря, ток возбуждения необходимо увеличить, а при активно-емкостной нагрузке — уменьшить.

Читайте также: Можно ли подключить холодильник через удлинитель к розетке

Режимы работы

На практике каждая электрическая машина может использоваться в различных режимах работы:

• Моторный режим
  — устройство работает по принципу преобразования электрической энергии в механическую. Напряжение подается на клеммы якоря и преобразуется во вращательное усилие на роторе.
• Генераторный режим
  — в этом случае вал двигателя вращается за счет турбины или какого-либо другого предмета, а генерируемое напряжение снимается с выводов якоря.
• Синхронный компенсатор
  — электродвигатель подключен к распределительной сети на холостом ходу. Это увеличивает коэффициент мощности системы за счет потребления реактивной мощности.

PS Подробнее о синхронном двигателе, а также чем он отличается от асинхронного смотрите в видео:

 

§3 Электромагнитная мощность синхронной машины

П1 Упрощенная эквивалентная схема и векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора

Как следует из энергетической диаграммы, электромагнитная мощность синхронного генератора Rem меньше его полезной мощности P2 на величину потерь в меди и стали статора. Но даже в машинах средней мощности эти потери составляют лишь около 1% номинальной мощности машины. На этом основании ими можно пренебречь и электромагнитную мощность машины считать равной ее полезной мощности. (один)

Этому упрощению соответствует эквивалентная схема без сопротивления r, учитывающая потери в статоре, и векторная диаграмма.

Упрощенная эквивалентная схема и векторная диаграмма явнополюсного СГ.

Кроме того, индуктивные реактивные сопротивления, учитывающие реакцию якоря ха и потоки рассеяния хс, объединяются здесь в индуктивное реактивное сопротивление хс, называемое синхронным сопротивлением обмотки статора. (2)

На упрощенной векторной диаграмме угол называется углом рассогласования между полюсами ротора и результирующим полем машины.

§ 46. Измерение полных сопротивлений обмоток электрических машин

В ряде случаев для определения целостности обмоток и соединений между отдельными элементами обмоток, отсутствия коротких замыканий целесообразно измерять сопротивления отдельных обмоток электрических машин переменному току. При подаче на обмотку переменного напряжения от внешнего источника измеряют ток и напряжение, после чего рассчитывают полное сопротивление обмотки. Если сопротивления одноименных элементов обмотки (катушек, секций) примерно равны, их можно считать годными.

Эти измерения рекомендуются для катушек индуктивности машин переменного тока с явно выраженными полюсами. При измерении активных, индуктивных и импедансов электрических машин следует учитывать, что эти сопротивления зависят от частоты переменного тока. При питании измерительной цепи от мощных стабильных источников, например от электрической сети, подключенной к электросети, частота переменного тока составляет 50 Гц и не изменяется.

Однако при монтаже новых электроустановок иногда необходимо использовать автономные источники переменного тока. В этом случае важно контролировать частоту тока.

Холостой режим синхронного двигателя

ХОЛОСТОЙ ХОД СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Под холостым ходом автономного синхронного генератора понимается такой режим работы, при котором ротор вращается приводным двигателем, а обмотка якоря разомкнута. В этом случае магнитное поле машины создается только током возбуждения. Это поле можно разложить на две составляющие: основное поле, магнитные линии которого проходят через воздушный зазор и сцепляются с обмоткой якоря, и поле рассеяния полюсов, магнитные линии которого смыкаются только с обмоткой возбуждения.

Магнитный поток основного поля при вращении полюсов наводит в обмотке якоря ЭДС. Эта ЭДС и напряжение на зажимах генератора должны быть близки к синусоидальной форме. Это требование обусловлено тем, что при синусоидальности ЭДС и напряжения ток в якоре при линейном характере присоединенной цепи также синусоидален. В результате суммарные потери в генераторе и потребителях минимальны, так как отсутствуют дополнительные потери от высших гармоник.

Критерием оценки кривой ЭДС является коэффициент искажения синусоидальности этой кривой, под которым понимается отношение квадратного корня из суммы квадратов амплитудных значений (или эффективных) высших гармонических составляющих этой кривой к амплитудному (или действующему) значению главной гармоники этой кривой, выраженному в процентах:

где ν – порядок гармонической составляющей.

Коэффициент искажения линейной кривой ЭДС в генераторах трехфазного переменного тока частотой 50 Гц не должен превышать 5 % для генераторов мощностью более 100 кВ∙А и 10 % для генераторов мощностью до 100 кВ∙А.

Для получения кривой ЭДС, близкой к синусоидальной, прежде всего необходимо, чтобы кривая магнитного поля машины была как можно более синусоидальной. В машине с выступающими полюсами для этого зазор между стержнем и статором делают неравномерным: обычно зазор по краям стержня берут в 1,5—2 раза больше, чем в центре.

Распределение магнитной индукции в зазоре между полюсом и якорем при такой конфигурации наконечника показано на рис. 20б. Там же штриховой линией для сравнения показана кривая магнитной индукции с равномерным зазором. В неявнополюсной машине улучшение формы магнитного поля возбуждения достигается выбором соотношения между частями полюсного деления с обмоткой и без нее.

Пренебрегая влиянием пазов, создающих определенную ступеньку МДС и кривой магнитной индукции, можно предположить, что МДС обмотки возбуждения, как и кривая магнитного поля, распределены по окружности цилиндрического ротора с неявные полюса по закону трапеций. Амплитудные значения основных гармоник МДС и индукции поля соответственно аналогичны:

где Fv,max и Bδ,max — максимальные значения МДС обмотки возбуждения, приходящиеся на один полюс, и индукции в промежутке; wв, Iв — число витков обмотки возбуждения на полюс и ток возбуждения; α — длина дуги, соответствующая половине части полюсного деления, на которой размещена обмотка возбуждения.

Для улучшения кривой магнитного поля возбуждения часть полюса, на которую не укладывается обмотка, выбирают равной τ/3 (α=π/3). В этом случае на кривой магнитной индукции будут отсутствовать все гармоники, кратные 3, а остальные высшие гармоники будут затухать.