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