Изучение синхронного генератора

Цель работы: изучение устройства, пpинципа действия и основных характеристик синхpонной машины (СМ) в генераторном режиме.

Краткие теоретические сведения. Синхронная машина обратима. СМ применяется как генератор на электростанциях для получения электрической энергии, в авто­транспорте для питания бортовой сети, для компенса­ции pеактивной мощности, как двигатель в мощных холодильных установках.

Синхронный генератор (СГ) состоит из статора или якоря (как у асинхрон­ной машины) и ротора или индуктора, намагничиваемого постоянным током (или постоянного магнита). При вращении индуктор наводит эдс в обмотке якоря.

Постоянный ток питания индуктора получают от возбудителя -машины постоянного тока, расположенной на общем валу с генератором (или от отдельного выпрямителя). Ток возбуждения регулируют устройством автоматики.

Индуктор на холостом ходу своим магнитным полем всегда оpиентирован вдоль магнитных линий якоря, следо­вательно, поля статора и ротор вращаются с и н х р о н н о. Под нагрузкой между полями ротора и статора появляется угловой сдвиг (до = 90 градусов) при сохранении синхронности. Момент М на валу определяется зависимостью М =М_макс Sin , поэтому в зависимости от знака угла изменяется знак момента и режим машины (двигатель или генератор).

Для разгона СГ на роторе устанавливают короткозамкнутую обмотку (демпфирующую обмотку). При асинхронном пуске при достижении 95% синхронной частоты при разгоне ротор намагничивают постоянным током и машина втягивается в синхронизм. При пуске выводы обмотки ротора замыкают через реостат, чтобы не возникло пробоя в обмотке индуктора из-за наведенной эдс. При наличии возбудителя-машины постоянного тока- самозапуск происходит без замыкания выводов индуктора.

Частота вращения ротора в переходных режимах описывается дифференциальным уравнением второго порядка, поэтому ротор СГ обладает свойством совершать колебательные движения (ускорение- замедление частоты вращения) вокруг средней частоты вращения. Колебания ротора устраняются посредством короткозамкнутой демпфирующей обмотки.

Синхронная машина при работе с электрической сетью изменяет величину и характер полного сопротивления якорной обмотки в зависимости от величины тока возбуждения индуктора. При больших токах возбуждения сопротивление статора синхронной машины носит активно -емкостный характер, что используют для компенсации реактивной мощности индуктивного характера. При средних токах возбуждения синхронная машина потребляет минимальный ток и обладает активным сопротивлением и минимальным током якоря. Пpи малых токах сопротивление статорной обмотки активно-индуктивное. Зависимость статорного тока от тока индуктора называют U-образной характеристикой.

Реакция якоря. Под действием тока якоря (и его магнитного поля) в СМ наблюдается явления изменения магнитного поля - реакция якоря. Реакция якоря проявляет себя различным образом в зависимости от характера сопротивления нагрузки.

При индуктивной нагрузке за счет магнитного поля реакции якоря магнитный поток уменьшается (продольная составляющая, или составляющая магнитного поля, действующая вдоль направления магнитных полюсов), эдс уменьшается. При емкостной нагрузке под действием реакции якоря продольная составляющая магнитного потока и эдс увеличивается. При активной нагрузке продольная составляющая магнитного потока не изменяется, а поперечная (перпендикулярная линии магнитных полюсов) увеличивается.

По конструкции индуктора синхронные машины подразделяют на машины с явно выраженными полюсами и неявно выраженными полюсами, поэтому проявление реакции якоря в них различно.

Напряжение на нагрузке синхронной машины U=E₀+Е_1q+ E_1d+ Е ₁- IR;

где U- напряжение;

E₀ –эдс, наводимая основным магнитным потоком;

Е_1q- эдс поперечной реакции якоря;

E_1d -эдс продольной реакции якоря;

Е ₁ –эдс потока рассеяния;

IR- падение напряжения в активном сопротивлении якоря, (малая величина).

Составляющие векторов эдс реакции якоря могут изменять направление почти на 180 градусов в зависимости от характера сопротивления нагрузки.

Характеристики генератора

Характеристика холостого хода СГ -зависимость Uхх=f (I возб) при n=const.

Характеристика близка к нормальной характеристике синхронной машины, таблица 13.1. (нормированного значения эдс Е*и нормированного значения тока возбуждения Iв*). Из таблицы 13.1. следует, что СГ работает при выраженном насыщении магнитной системы.

Таблица 13.1.Нормальная характеристика синхронной машины

Е* 0.58 1.0 1.21 1.33 1.4 1.46 1.51

Iв* 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

 

Х арактеристика короткого замыкания - зависимость тока короткого замыкания якоря (до 1.25 Iном) от тока возбуждения синхронного генератора, зависимость прямая.

Внешняя характеристика - зависимость напряжения генератора от тока нагрузки при постоянном токе возбуждения. Зависит от величины и характера нагрузки и похожа на внешнюю характеристику трансформатора. Поведение характеристики объясняется реакцией якоря.

Регулировочная характеристика -зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном напряжении. При работе на активную и индуктивную нагрузки из-за реакции якоря с увеличением тока нагрузки ток возбуждения необходимо увеличивать, а при работе на емкостную нагрузку- уменьшать.

Отношение короткого замыкания (ОКЗ). Отношение тока короткого замыкания к номинальному току в установившемся режиме близко к единице.