Магнитное поле нагруженного синхронного генератора. Реакция якоря синхронной машины

При включении генератора на симметричную нагрузку в обмотках якоря появляется 3-х фазная симметричная система токов, которая образует вращающееся магнитное поле, это поле накладывается на поле возбуждения, вращается синхронно с ним и в машине образуется результирующее магнитное поле. Магнитное поле якоря зависит от хар-ра нагрузки, т.е. от cosφ, поэтому результирующее магнитное поле может изменяться под влиянием якоря. Воздействие поля якоря на результирующее поле машины называется реакцией якоря. Поле возбуждения всегда направлено вдоль осей полюса, а поле якоря может иметь различные направления в зависимости от хар-ра нагрузки. В явнополюсных машинах магнитный зазор неравномерный, поэтому их магнитнаясис-ма несимметричная. Под полюсами, где зазор небольшой, магнитноесопр. Гораздо меньше чем между полюсами, поэтому в явнополюснвх машинах магнитное поле якоря принято делить на 2 составляющие: продольную и поперечную. Продольная составляющая направлена вдоль оси полюса, поперечная направлена вдоль оси проходящей на середине между полюсами. Картина магнитного поля повторяется на всех одноименных полюсах, поэтому достаточно рассмотреть магнитное поле на 2-х соседних полюсных делениях. Для этого вместо реальной машины рассматривают упрощенную 2-х полюсную модель

6.Реакция якоря при ψ=0Активная нагрузка(ψ₁= 0). На рис.представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС Е₀в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора F₁направлена перпендикулярно МДС возбуждения F_BO.Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генерато­ра проводим вектор МДС возбуждения F_BO; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС E₀, наведен­ной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора I₁, совпадает по фазе с ЭДС E₀, а поэтому вектор МДС F₁ , создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора F_BOна 90°.Такое воздействие МДС статора (якоря) F₁ на МДС возбуж­дения F_BOвызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем по­люса и усиливается под сбегающим краем полюса. Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнит­ное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора проис­ходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев по­люсных наконечников и находящихся над ними участков зубцово­го слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е₁.

7. Реакция якоря синхронной машины при индуктивнойнагрузке Индуктивная нагрузка (ψ₁= 90°). При чисто индуктивнойнагрузке генератора ток статора I₁ отстает по фазе от ЭДС E₀ на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соот­ветствующего максимуму ЭДС E₀При этом МДС F₁действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения F_BO. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.Такое действие МДС статора F₁ослабляет поле машины. Сле­довательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассмат­риваемом случае магнитное поле не искажается.

8.Реакция якоря синхронной машины при емкостной нагрузке Емкостная нагрузка( ψ = -90°). Так как ток I₁, при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС E₀ на 90°, то своего большего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 20.5, в. Магнитодвижущая сила статора F₁ так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения F_BO .При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

9.Уравнения напряжений синхронного генератораПри работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МДС, которые, взаимодейст­вуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, ус­ловно исходят из предположения независимого действия всех МДС генератора, т. е. предполагается, что каждая из МДС создает собственный магнитный поток Итак выясним, каково же влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.1.МДС обмотки возбуждения F_в0, создает магнитный поток возбуждения Ф₀, который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней основную ЭДС генератора Е₀.2. МДС реакции якоря по продольной оси F_1dсоздает магнит­ный поток Ф_1d, который наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря E_1dзначение которой пропорционально индук­тивному сопротивлению реакции якоря по продольной оси х_ad3. МДС реакции якоря по поперечной оси F_1qсоздает магнит­ный поток Ф_1q, который наводит в обмотке статора ЭДС Е_1qзначение которой пропорционально индуктивному сопро­тивлению реакции якоря по поперечной оси x_aq4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора Ф_σ1наводит в обмотке статора ЭДС рассеянияЕ_σ1, значение ко­торой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора х₁: E_σ1= -jI₁x₁5.Ток в обмотке статора I₁ создает активное падение напряжения в активном сопротивлении фазы обмотки статора r₁: U_a1=I₁r₁Геометрическая сумма всех перечисленных ЭДС, наведенных в обмотке статора, определяет напряжение на выходе синхронного генератора U₁=∑E-I₁r₁=E₀+E_1d+E_1q+E_σ1-I₁r₁ , где ∑Е- геометрическая сумма всех ЭДС, наведенных в обмотке статора результирующим магнитным полем машины образованным совместным действием всех МДС и потоком рассеяния статора Ф_σ1. Активное сопротивления фазы обмотки статора r₁ у синхронных машин средней и большой мощности невелико, и поэтому даже при номинальной нагрузке падение напряжения I₁r₁составляет настолько малую величину, что с некоторым допущением можно принять I₁r₁=0. Тогда уравнение можно записать в виде U₁=∑E=E₀+E_1d+E_1q+E_σ1

10.Векторные диаграммы синхронного генератораВоспользовавшись уравнением ЭДС (20.28), построим векторнуюдиаграмму явнополюсного синхронного генератора,работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток I₁ отстает по фазе от ЭДСE₀). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х.E₀; тока нагрузки I₁, и его угла сдвига ψ₁, относительно ЭДСE₀; продольного х_adи поперечного х_aqиндуктивных сопротивлений реакции якоря; ак­тивного сопротивления фазной обмотки статора r₁.При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы.Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис 20.8, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС E₀и под углом ψ₁ к нему — вектор тока I₁. Последний разло­жим на составляющие: реактивную I_d=I₁sin ψ₁, и активную Iq=I1 sin ψ₁ . Далее, из конца вектораE₀откладываем векторы ЭДС, E_1d=-jI_dx_adE_1q=-jI_qx_aq , E_σ1=-jI₁x₁ , U_a1=-I₁r₁Соединив конец вектора U_a1=-I₁r₁с точкой О, получим вектор напряженияU₁, значение которого равно геометрическом сумме векторов ЭДС [см. (20.28)].При построении векторной диаграммы генератора, работающего на активно-емкостную нагрузку (ток I₁опережает по фазе ЭДСE₀), вектор токаI₁, откладывают влево от вектора ЭДС (рис. 20.8, б), а направление вектора E_1dустанавливают согласно с направлением вектора ЭДСE₀, так как при емкостном характере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном порядок построения диаграммы остается прежним.Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (20.32), при этом вектор E₀откладывают под углом ψ₁ к вектору тока (рис. 20.8,в)

11.Характеристики синхронного генератораХарактеристика холостого хода синхронного генератора.Представляет собой график зависимости напряжения на выходегенератора в режиме х.х. U₁= Е₀от тока возбуждения I_в.0 при n₁= const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 20.9, а. Если характеристики х.х.различных синхронных генераторов изобразить в относительныхединицахЕ_*= f(I_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х.E_* = Е₀ / U_1ном— относительная ЭДС фазы обмотки статора; I_в* = I_в0 /I_в0ном— относительный ток возбуждения; I_в0ном — ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е₀ = U_1номХарактеристика короткого замыкания.Характеристикутрехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмоткистатора замыкают накоротко (рис. 20.10, а) и при вращении ротора с частотой вращения n₁постепенно увеличивают ток возбуждениядо значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I_1к = l,25 I_1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине ха­рактеристика к.з. представляет собой прямую линиюВнешняя характеристика.Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁= f(I₁) при I_в = const; соs φ₁, = const; n₁ = n_ном = const. На рис. 10.12, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.При активной нагрузке (соs φ₁ = 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 (cosφ₁< 1; инд.) увеличение U₁ при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря (см. § 20.3). Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cosφ₁ < 1; емк.) уменьшение I₁со­провождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной составляющей реакции якоря.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 φ₁ = const. На рис. 20.12, б представлены регулировочные харак­теристики синхронного генератора.

12.Потери и КПД синхронных машинПреобразование 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 где r₁— активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре, Ом. Потери на возбуждение (Вт):а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройстваР_в = I_в²r_в + ΔU_щI_вгде r_в— активное сопротивление обмотки возбуждения при рас­четной рабочей температуре, Ом; ΔU_щ = 2 В — падение напряже­ния в щеточном контакте щеток;Магнитные потери синхронной машины происходят в сердеч­нике статора, который подвержен перемагничиванию вращаю­щимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гисте­резиса Р_ги потерь от вихревых токов Р_в.т:Р_м = Р_г+ Р_в.т. Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в под­шипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины),P_мех≈3,68p (v₂/40)³ * √(10³l₁)гдеv₂ = π (D₁ - 2δ)n₁/ 60— окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с; l₁ — конструктивная длина сердечника статора, мм.Коэффициент полезного действия: для синхронного генератораη_г = 1 - ∑Р / (Р_ном+ ∑Р ) гдеР_ном= m₁U_1номI_1номcos φ₁ 10^-3- активная мощность, отбираемая от генератора при его номи­нальной нагрузке, кВт;для синхронного двигателяη_д = 1 - ∑Р / Р_1номЗдесь U_1ном и I_1ном — фазные значения напряжения и тока статора.КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β = Р₂/ Р_ном) и от ее характера (соs φ₁). Графики этой зависимости аналогичны изображенным на рис. 1.41. 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.

15.Включение генераторов на параллельную работуПри включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора E₀в момент подключения его к сети должна быть равна и проти­воположна по фазе напряжению сети (E_r=-U_c), частота ЭДС генератора f_r должна быть равна часто­те переменного напряжения в сетиf_c; порядок следо­вания фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизацииСпособ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2—5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значи­тельные механические воздействия на обмотки, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воздей­ствий на надежность генератора учитывается при проектировании синхронных генераторов. Способ самосинхронизации (грубой синхронизации) обычно применяют в генераторах при их частых включениях. Этот способ прост и легко автоматизируется.

17. Угловая характеристика неявнополюсного синхронного генератораЭлектромагнитная мощность неявнополюсного синхронного генератора при его параллельной работе с сетьюP_{ЭМ Н}= m₁U₁E₀sinθ/x_cгде θ - угол, на который продольная ось ротора смещена относительнопродольной оси результирующего поля машины Разделив выражение на синхронную угловую скорость вращения ω₁, получим выражение электромагнитного момента M_n =P_эм/ω₁=(m₁U₁E₀/ω₁x_c)*sinθ (На рисунке представлена угловая характеристика активной мощности неявнополюсного СГ) У неявнополюсных синхронных машин Мкр=0, а по­этому угловая характеристика представляет собой синусоиду и угол θкр = 90°.