Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характери­стиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регу­лировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора.Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U₁ = E₀ от тока возбуждения I_в0 при n₁ = const. Схема включения синхронного генератора для снятия ха­рактеристики х.х. приведена на рис. 88, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах ¦(I_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (рис. 88, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Е_*……………. 0,58 1,0 1,21 1,33 1,40 1,46 1,51

I_в*…………….. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Здесь E_* = E₀/U_1ном – относительная ЭДС фазы обмотки ста­тора; I = I_в0/I_в0ном – относительный ток возбуждения; I_в0ном – ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е₀ = U_1ном.

Характеристика короткого замыкания.Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 89, а) и при вращении ротора с частотой вращения n₁ постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабо­чий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I_1к = 1,25×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 линию (рис. 89, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравне­нию с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r₁ » 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генерато­ра (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного гене­ратора имеет продольно-размагничивающий характер.

Рис. 88. Опыт холостого хода синхронного генератора

Векторная диаграм­ма, построенная для ге­нератора при опыте трехфазного к.з., пред­ставлена на рис. 89, в. Из диаграммы вид­но, что ЭДС , инду­цируемая в обмотке ста­тора, полностью урав­новешивается ЭДС продольной реакции якоря и ЭДС рассеяния :

.

Рис. 89. Опыт короткого замыкания 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. 90), при этом на оси ор­динат отмечают относительные значения напряжения х.х. E_* = 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 Всносят на характеристику х.х. (точка В') и опускают перпендикуляр B'Dна ось абсцисс. Полученная точка Dразделила 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. 90. 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. 89, б):

ОКЗ = I_в0ном/ I_в.к.ном. (20.34)

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4 ¸ 0,7; для раторов ОКЗ = 1,0 ¸ 1,4.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устой­чивы при параллельной работе, 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 = ¦(I₁) при I_в = const; cosφ₁ = const; n₁ = n_ном = const. На рис. 91, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (cosφ₁ = 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. Однако в случае емко­стной нагрузки генератора (cosφ₁ < 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 (%):

(20.35)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому DU_1ном отрицательно.

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

Рис. 91. 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 = ¦(I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cosφ₁ = const. На рис. 91, б представлены регулировочные харак­теристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cosφ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁ сопровождается уменьшени­ем напряжения U₁,поэтому для поддержания этого напряжения неиз­менным по мере увеличения тока нагрузки I₁следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cosφ₁ <1; инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁ (рис. 91, а), по­этому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном, следует повышать в большей степени. При емкостном же харак­тере нагрузки (cosφ₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном, ток воз­буждения следует уменьшать.

Контрольные вопросы

1. Из каких участков состоит магнитная цепь явно полюсной синхронной ма­шины?

2. В чем состоит явление реакции якоря?

3. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной на­грузках синхронного генератора?

4. Какие ЭДС наводят в обмотке статора явнополюсного синхронного генера­тора магнитные потоки реакции якоря и каким индуктивным сопротивлени­ям эти ЭДС эквивалентны?

5. Почему характеристика к.з. синхронной машины имеет вид прямой линии?

6. Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генера­тора?

7. Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?

8. Определите изменение напряжения при сбросе нагрузки для примера 20.2, если генератор работал с нагрузкой, равной половине номинальной?

9. Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?

Лекция № 16