Регулировочные характеристики СГ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЁХФАЗНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Цель работы: изучение конструкции, принципа работы и основных характеристик трехфазного синхронного генератора.

Программа лабораторных исследований

1 Ознакомиться с конструкцией и принципом действия синхронного генератора (СГ).

2 Ознакомиться с паспортными данными СГ.

3 Собрать схему для проведения исследований.

4 Снять характеристику холостого хода.

5 Снять внешние характеристики.

6 Снять регулировочные характеристики СГ.

7 Снять характеристики короткого замыкания.

8 Оформить отчёт по работе.

Пояснения к работе

Конструкция и принцип действия СГ

Объектом исследования является явнополюсный трёхфазный синхронный генератор. СГ служит для преобразования механической энергии, поступающей со стороны вала, в электрическую энергию переменного тока.

В конструктивном отношении СГ состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора. На статоре 1 располагается трёхфазная обмотка переменного тока – обмотка якоря 2, а на роторе – обмотка возбуждения 4, по которой протекает постоянный ток (рисунок 1). Обмотка возбуждения размещается на полюсах 3, расположенных на роторе (индукторе), и подключается к двум контактным кольцам 5, размещённым на валу 6 (рисунок 2). Постоянное напряжение подаётся на обмотку возбуждения через щётки 7 и контактные кольца 5. В полюсных наконечниках 8, как правило, располагается демпферная (успокоительная) обмотка, которую в синхронных двигателях называют пусковой. Демпферная обмотка состоит из стержней 9 и замыкающих сегментов 10 и представляет собой фрагмент короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя. В генераторах она изготовлена из меди. В полюсах ротора выполняются вентиляционные каналы 11.

Рисунок 1 – Конструкция СГ Рисунок 2 – Ротор явнополюсного СГ

Магнитный поток, создаваемый током обмотки возбуждения, пронизывает обмотку якоря и при вращении ротора наводит в ней ЭДС. Таким образом, работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, который отражает взаимосвязь ЭДС в обмотке якоря с изменением во времени потокосцепления обмотки, обусловленного магнитным потоком обмотки возбуждения,

.

Вследствие синусоидального изменения во времени магнитного потока чаще используют формулу для действующего значения ЭДС:

.

Здесь f₁–частота ЭДС; – амплитудное значение потока обмотки возбуждения, пронизывающего обмотку якоря с числом витков ; – обмоточный коэффициент (0,9–0,95).

Если к выводам обмотки якоря подключено нагрузочное сопротивление, то под действием наведенной ЭДС в цепи якоря и во внешней цепи нагрузки потечёт трёхфазный переменный ток.

Трёхфазный переменный ток якорной обмотки создаёт в зазоре круговое вращающееся поле, которое вращается вместе (синхронно) с полем возбуждения и является неподвижным по отношению к полюсам возбуждения.

В результате взаимодействия вращающегося поля якорной обмотки с полем возбуждения создаётся электромагнитный момент, уравновешивающий механический момент на валу генератора со стороны приводного устройства.

Демпферная (успокоительная) обмотка гасит качания ротора (колебания частоты вращения ротора относительно синхронной частоты вращения), возникающие при переходных процессах. Во время этих колебаний в демпферной обмотке наводится ЭДС, вызывающая токи в стержнях этой обмотки и возникновение электромагнитного момента, тормозящего качания ротора. Энергия качаний ротора рассеивается в виде тепловых потерь в демпферной обмотке.

При несимметричной нагрузке по фазам генератора демпферная обмотка подавляет возникающее в этом случае обратное магнитное поле и обеспечивает симметричное напряжение на выводах якорной обмотки СГ.

Более подробное ознакомление с конструкцией и принципом действия СГ проводится во внеаудиторное время на стадии подготовки к выполнению работы по литературе [1–4].

Паспортные данные машины

Паспортные данные СГ приводятся на заводском щитке машины или сообщаются преподавателем. Знание паспортных данных необходимо на стадии сборки схемы для правильного подбора измерительных приборов, а также при оформлении отчёта по работе. Основные паспортные данные: номинальные значения мощности S_н, частоты вращения n_н, напряжения на выводах обмотки якоря U_ан и тока якоря I_ан должны быть записаны в рабочий журнал и затем включены в отчёт по работе.

Рисунок 3 – Схема исследования трёхфазного СГ

Следует отметить, что исследуемые в данной работе характеристики должны быть сняты при постоянной (синхронной) частоте вращения генератора, которая для двухполюсного СГ составляет 3000 мин^-1. Применение в качестве приводного двигателя асинхронного двигателя не позволяет выдержать условие n=3000 мин^-1=const. Однако высокая жёсткость механической характеристики АД обеспечивает лишь незначительное изменение частоты вращения во время снятия характеристик (диапазон возможного изменения частоты вращения 4…6 %), которое является приемлемым для проведения лабораторных исследований.

В качестве регулируемой индуктивной нагрузки в работе используется индукционный регулятор ИР, представляющий собой асинхронный двигатель с заторможенным фазным ротором. Он подключается к схеме клеммами «Выход». ВНИМАНИЕ! Сетевой кабель индукционного регулятора ввиду его гальванической связи с вторичной частью («выходом») должен быть либо отключён от ИР, либо зафиксирован на свободных клеммах лабораторного стенда.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода СГ представляет собой зависимость ЭДС на выводах обмотки якоря от тока возбуждения при отсутствии тока в обмотке якоря и при синхронной частоте вращения

E_в= f (i_в)при I_а=0 и n=n_н=const.

Для снятия характеристики холостого хода необходимо при помощи контактора КМ произвести пуск приводного двигателя, а затем, регулируя величину тока возбуждения с помощью ЛАТРа, снять характеристику. При этом ток возбуждения только увеличивают от нулевого значения (через примерно равные приращения тока i_в) так, чтобы получить не менее 6–7 точек, причём последнее значение i_в должно давать значение Е_в, соответствующее 110 % от номинального напряжения U_ан.

Данные опыта записывают в таблицу 1, форма которой приведена ниже. Примерный вид характеристики холостого хода показан на рисунке 4.

Характеристика холостого хода СГ имеет вид, типичный для большинства электрических генераторов. Замедление роста ЭДС по мере увеличения тока возбуждения обусловлено насыщением магнитопровода – свойством, присущим электротехнической стали, из которой набраны пакеты статора и полюса ротора. Причиной наличия на выводах обмотки якоря СГ небольшого напряжения (2–5% от U_ан) при обесточенной обмотке возбуждения является остаточный магнитный поток полюсов (явление гистерезиса).

Рисунок 4 – Характеристика холостого хода трёхфазного СГ

Таблица 1– Характеристика холостого хода трёхфазного СГ

n = n_н =…мин^-1=const, I_а = 0

Ев, В
iв, А

Внешние характеристики

Внешняя характеристика СГ представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки якоря от тока якоря при синхронной частоте вращения, неизменных значениях тока возбуждения и коэффициента мощности нагрузки:

U_а= f (I_а)при n=n_н=const, i_в=const, cosφ= const.

Для снятия внешней характеристики СГ необходимо в режиме холостого хода, регулируя величину тока возбуждения, установить на выводах обмотки якоря номинальное значение ЭДС. Значение тока возбуждения, которое при этом получится, необходимо поддерживать неизменным (i_в=const). Ток якоря меняют от нуля до номинального путём изменения сопротивления нагрузочного реостата; величина cosφ будет практически неизменной и близкой к единице. Вторую внешнюю характеристику снимают при индуктивном характере нагрузки, при этом величина cosφ будет близка к нулю (отстающий ток).

Результаты опыта записывают в таблицу 2, форма которой приведена ниже. Примерный вид внешних характеристик показан на рисунке 5.

Таблица 2 – Внешние характеристики трёхфазного СГ

n = n_н =…мин^-1=const, i_в=…А = const

Uа, В						cosφ=1
Iа, А
Uа, В						cosφ=0
Iа, А

Рисунок 5 – Внешние характеристики трёхфазного СГ

Поведение внешней характеристики определяется характером влияния реакции якоря (магнитного потока, созданного обмоткой якоря Ф_а) на магнитный поток обмотки возбуждения Ф_в и результирующий поток через обмотку якоря.

Для выяснения механизма влияния тока якоря на выходное напряжение СГ рассмотрим соответствующие векторные диаграммы для обмотки якоря при cosφ=1 (φ=0 – активная нагрузка) и cosφ=0 (φ=90 – индуктивная нагрузка). Для упрощения будем считать, что активное сопротивление обмотки якоря равно 0. Будем также помнить, что каждой составляющей потока в СГ соответствует переменная ЭДС якорной обмотки:

, , а также .

При r_а=0 уравнение для обмотки якоря имеет вид

, т.е. .

Для записанного уравнения на рисунке 6,а показана совмещенная векторная диаграмма напряжений и магнитных потоков для случая активной нагрузки (φ=0) генератора.

Точка 0 соответствует режиму холостого хода, точка 1 – 50 % номинальной нагрузки и 2 – номинальному режиму генератора. Из рисунка видно, что по мере увеличения тока якоря и соответственно потока реакции якоря снижаются результирующий поток через обмотку якоря , результирующая ЭДС и напряжение на выводах генератора .

а)

б)

Рисунок 6 – Пояснение к внешним характеристикам СГ:

а – активная нагрузка ( ); б – индуктивная нагрузка ( )

На рисунке 6б представлена аналогичная совмещенная диаграмма для случая индуктивной нагрузки ( ). Из рисунка видно, что поток реакции якоря направлен против потока, созданного обмоткой возбуждения . В сравнении с режимом активной нагрузки в рассматриваемом случае реакция якоря направлена строго по продольной оси d, в большей степени влияет на результирующий поток обмотки якоря и снижает выходное напряжение СГ.

В рассмотренных случаях (cosφ=1 и cosφ=0) реакция якоря носит размагничивающий характер – уменьшает результирующий магнитный поток.

Регулировочные характеристики СГ

Регулировочная характеристика СГ представляет собой зависимость тока возбуждения от тока якоря при синхронной частоте вращения, номинальном значении напряжения на выводах обмотки якоря и неизменном коэффициенте мощности нагрузки:

при , и .

Для снятия регулировочной характеристики необходимо в режиме холостого хода установить на выводах обмотки якоря ЭДС, равную номинальному значению напряжения. Ток якоря меняют от нуля до номинального значения путём изменения сопротивления нагрузочного реостата . При изменении тока якоря постоянство напряжения на обмотке якоря поддерживают регулированием тока возбуждения.

Вторую регулировочную характеристику снимают при индуктивном характере нагрузки. В качестве регулируемой индуктивной нагрузки может быть использован индукционный регулятор.

Результаты опыта записывают в таблицу 3, форма которой приведена ниже. Примерный вид регулировочных характеристик СГ показан на рисунке 7.

Необходимость увеличения тока возбуждения по мере роста тока якоря обусловлено необходимостью компенсировать размагничивающее действие реакции (магнитного потока) якоря, приводящее к снижению результирующего потока и напряжения на выводах обмотки . Наиболее сильное размагничивающее действие реакции якоря при индуктивной нагрузке, которое было отмечено выше при анализе внешних характеристик, проявляется также и в регулировочных характеристиках – ток возбуждения при индуктивной нагрузке необходимо увеличивать в большей степени, чем при активной нагрузке.

Рисунок 7– Регулировочные характеристики СГ

Таблица 3 – Регулировочные характеристики СГ

при ,

iв, A
Iа, А
iв, A
Iа, А

Характеристики короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания СГ представляет собой зависимость тока якоря генератора, обмотка которого замкнута накоротко, от тока возбуждения при синхронной частоте вращения:

при .

Снимаются три характеристики короткого замыкания СГ: при однофазном , двухфазном и трёхфазном коротком замыкании обмотки якоря . Схемы одно-, двух- и трёхфазного короткого замыкания показаны на рисунке 8.

Рисунок 8 – Схемы соединений фазных обмоток для создания

режимов одно– (а), двух– (б) и трёхфазного (в) короткого замыкания

Для снятия характеристик необходимо плавно изменять величину тока возбуждения так, чтобы ток короткого замыкания в обмотке якоря изменялся от минимального до номинального значения.

Результаты опытов записывают в таблицы, форма одной из которых приведена ниже (таблица 4). Примерный вид характеристик короткого замыкания показан на рисунке 9.

Рисунок 9 – Характеристики короткого замыкания трёхфазного СГ

Таблица 4 – Характеристика однофазного короткого замыкания СГ

при

Ik1, А
iв, A

Следует иметь в виду, что при коротком замыкании имеет место размагничивающая реакция якоря, поэтому взаимодействие магнитных полей аналогично режиму работу СГ с индуктивной нагрузкой (см. векторную диаграмму на рисунке 4а при – точка 2). В режиме КЗ поле якоря размагничивает магнитную систему СГ, т.е. магнитное поле в генераторе в этом режиме близко к нулю. Поэтому магнитная система является ненасыщенной и характеристики КЗ имеют линейный характер.

Характеристика однофазного КЗ расположена выше двухфазного, а характеристика двухфазного КЗ – выше трёхфазного (рисунок 9). Такое расположение характеристик объясняется следующими соображениями. Для размагничивания магнитной системы в режиме трёхфазного замыкания требуется наименьший ток, так как размагничивающее поле реакции якоря создаётся тремя фазными обмотками. При двухфазном КЗ в создании поля реакции якоря принимают участие только две фазные обмотки, поэтому потребляемый ток якоря больше. И наконец, при однофазном КЗ характеристика расположена выше других, т.к. в создании размагничивающей реакции якоря принимает участие только одна фаза.

Особенностью характеристик короткого замыкания являются также ненулевые значения токов КЗ при обесточенной обмотке возбуждения. Причиной служит остаточный магнитный поток полюсов возбуждения и наведение соответствующей ЭДС в обмотке якоря.