7.6. Изменение напряжения на выходе синхронного генератора
Важным показателем синхронного генератора является чувствительность выходного напряжения к изменению тока нагрузки. В идеальном случае напряжение на зажимах генератора должно быть неизменным как при изменении тока, так и характера нагрузки, определяемого коэффициентом мощности. У реальных генераторов, если не предусмотрено реальных устройств стабилизации, напряжение изменяется, как при изменении тока, так и при изменении коэффициента мощности нагрузки. Основной причиной изменения напряжения является реакция якоря и наличие магнитного потока рассеяния. Меньшее влияние на изменение напряжения оказывает активное сопротивление статорной обмотки.
7.6.1. Синхронное сопротивление
Анализируя векторную диаграмму генератора с неявно выраженными полюсами, можно констатировать то, что векторы падения напряжения на сопротивлении рассеяния и на сопротивлении реакции якоря совпадают по фазе. В соответствии с векторной диаграммой выходное напряжение генератора определяется уравнением
Для вычисления выходного напряжения достаточно знать сумму , а не каждое сопротивление в отдельности. Для простоты сумму сопротивления рассеяния и сопротивление реакции якоря называют синхронным сопротивлением
Величина синхронного сопротивления достаточно легко определяется экспериментально и используется при определении изменения напряжения на зажимах генератора.
Для генератора с явно выраженными полюсами векторная сумма падений напряжений на продольном и поперечном сопротивлении реакции якоря не совпадает по фазе с падением напряжения на сопротивлении рассеяния. Однако фазовый сдвиг между ними не велик, поэтому на практике генераторы с явно выраженными полюсами рассматриваются как генераторы с неявно выраженными полюсами. В этом случае и у таких генераторов используется характеристика, называемая синхронным сопротивлением.
7.6.2. Изменение напряжения на выходе генератора при изменении нагрузки
Синхронные генераторы функционируют в условиях изменения коэффициента мощности в широких пределах. С учетом введенного сопротивления напряжение на выходе генератора и ЭДС фазы генератора связаны соотношением
Этому уравнению соответствует схема замещения, представленная на рис. 7.18.
Если начальную фазу тока нагрузки принять равной нулю, то векторная диаграмма тока и напряжений при произвольном коэффициенте мощности нагрузки будет выглядеть так, как это представлено на рис. 7.19.
При постоянном токе возбуждения ЭДС холостого хода остается постоянной. На изменение напряжения на выходе генератора оказывает влияние изменение коэффициента мощности нагрузки. Изменение величины сопротивления нагрузки приводит также к изменению напряжения на выходе генератора.
Рассмотрим изменение выходного напряжения, вызванное изменением коэффициента мощности нагрузки (рис. 7.20) при постоянном токе .
При изменении φ от 90 до +90 конец вектора ЭДС опишет окружность радиусом Е в пределах от точки А до точки В. Вектор выходного напряжения будет выходить из точки и при изменении будет скользить по полученной окружности. Из практики известно, что у реальных генераторов больше сопротивления обмотки якоря в 6…10 раз, поэтому модуль выходного напряжения практически всегда будет увеличиваться при уменьшении угла от +90 до 90 .
Если пренебречь активным сопротивлением , то минимальное напряжение на выходе будет равно
и максимальное напряжение .
График зависимости выходного напряжения в функции изображен на рис. 7.21.
На рис. 7.22 изображена векторная диаграмма при произвольном токе и при .
Рис. 7.21 Рис. 7.22
Длина векторов и пропорциональна току, поэтому при изменении тока начало вектора всегда будет находиться на прямой , а конец вектора на окружности. Так как является величиной неизменной, то все векторы напряжений при различных значениях тока будут параллельны.
Так при уменьшении тока в два раза падение напряжения на сопротивлении и индуктивном сопротивлении уменьшится в два раза. Начало вектора выходного напряжения из точки перейдет в точку . Выходное напряжение увеличится и будет равно .
При емкостном характере нагрузки (рис. 7.23) уменьшение тока приводит к уменьшению напряжения на выходе генерато- ра .
Графики зависимости выходного напряжения от тока нагрузки называют внешними характеристиками, которые будут рассмотрены ниже.
Судовой электрик — Способы поддержания постоянства напряжения на зажимах генераторов
§ 11. СПОСОБЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯНСТВА НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ ГЕНЕРАТОРОВ
Напряжение на шинах судовой электростанции необходимо поддерживать близким к номинальному.
Для судовых электростанций характерны резкие изменения нагрузки, сопровождающиеся колебаниями напряжения и частоты на шинах станции. Напряжение на зажимах генератора можно регулировать ручными и автоматическими регуляторами напряжения.
Как известно, э.д.с. генераторов пропорциональна угловой скорости вращения ω и магнитному потоку Ф: Ε=kωΦ.
Скорость вращения задается первичным двигателем и поддерживается неизменной (w=const). Величину э.д.с. генератора, а значит и напряжение можно регулировать изменением магнитного потока, поэтому действие автоматических регуляторов напряжения основано на изменении тока возбуждения генератора при отклонении величины напряжения на его зажимах от заданного значения.
Напряжение на зажимах генераторов постоянного тока при неизменной скорости вращения изменяется в основном в результате колебания нагрузки, определяющей величину внутреннего падения напряжения в цепи якоря генератора (Iаrа). На величине напряжения сказывается также влияние реакции якоря.
В судовых электростанциях применяют, как правило, генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением, у которых соответствующим подбором витков м. д. с. параллельной и последовательной обмоток достигается достаточная стабильность величины напряжения при изменении нагрузки от холостого хода до 110% номинальной. Кроме того, эти генераторы обеспечивают в известных пределах саморегулируемость напряжения в зависимости от нагрузки без каких-либо регулирующих устройств.
У синхронных генераторов напряжение на зажимах изменяется вследствие колебания тока статора, коэффициентов мощности нагрузки, частоты вращения первичного двигателя. На величину напряжения оказывают влияние также температура окружающей среды и нагрев элементов системы возбуждения, от которых зависит величина активных потерь I2r.
Величину напряжения регулируют вручную или автоматически.
Ручное регулирование тока возбуждения генераторов в судовых условиях при колебательном характере нагрузки неудобно в эксплуатационном отношении, не обеспечивает достаточной точности и скорости регулирования. Обычно ручные регуляторы возбуждения используют в период пуска генераторов для их первичного возбуждения, а также для перераспределения нагрузки между параллельно работающими генераторами постоянного тока. Схема включения регулятора показана на рис. 5.
Автоматическое регулирование протекает без участия человека под влиянием различных возмущающихся воздействий (отклонения напряжения от заданной величины, изменения тока нагрузки, коэффициента мощности, колебаний частоты и др.).
Устройство, посредством которого напряжение на зажимах генератора автоматически поддерживается в заданных пределах, называется автоматическим регулятором напряжения (АРН), а регулятор совместно с генератором — системой автоматического регулирования напряжения (САРН).
По принципу регулирования различают САРН: с регулированием по отклонению напряжения;
по возмущающему воздействию (изменению тока нагрузки и косинуса φ);
с комбинированным регулированием.
Регуляторами с регулированием по отклонению напряжения являются электромеханические регуляторы типа РУН, вибрационные и с электромашинными возбудителями.
К регуляторам с регулированием по возмущению относятся системы компаундирования, которые применяют для регулирования напряжения синхронных генераторов с возбудителями (регулятор типа УБК-М) и со статическими преобразователями (прямое компаундирование). Комбинированные системы (самовозбуждения и саморегулирования) содержат элементы обеих систем.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные способы автоматического регулирования напряжения судовых генераторов.
Исполнительным элементом автоматического угольного регулятора напряжения типа РУН (рис. 6, а) является угольный резистор (столб) 3, собранный из тонких, угольных шайб. Электрическое сопротивление угольного столба изменяется в зависимости от степени его сжатия; с увеличением давления сопротивление уменьшается, с уменьшением — увеличивается. Сила сжатия угольных столбов регулируется электромагнитной системой регулятора. Якорь 8 электромагнита через неравноплечий рычаг 4 связан с тягой 2, передающей через нажимное коромысло 1 давление на угольный столб. При заданной величине напряжения втягивающее усилие катушки электромагнита 6 уравновешивается силой нажатия балансной пружины 5.
Повышение напряжения на зажимах генератора сопровождается увеличением втягивающего усилия электромагнита, якорь втягивается в сердечник 7, в результате чего уменьшается давление на угольный столб. Сопротивление последнего возрастает, ток возбудителя уменьшается и напряжение снижается.
При уменьшении напряжения и втягивающего усилия электромагнита балансная пружина оттягивает якорь, тяга перемещается вниз, давление на угольный столб увеличивается, сопротивление реостата уменьшается, ток возбуждения возрастает и напряжение восстанавливается.
Рис. 5. Схемы включения регулятора возбуждения
В электрической схеме включения угольного регулятора РУН (рис. 6, б) угольный резистор обозначен буквой Р. В цепи обмотки возбуждения возбудителя установлен ручной регулятор возбуждения РВ.
Во время работы регулятора в установившемся режиме при различных значениях нагрузки напряжение на зажимах генератора может несколько отличаться от заданного значения. Для более точной настройки регулятора на заданную величину напряжения в цепь рабочей электромагнитной катушки ОЭ введен установочный резистор Ру.
Рис. 6. Автоматический угольный регулятор напряжения типа РУН: а — конструктивное устройство; б — схема включения
В угольных регуляторах регулируемое напряжение колеблется около заданного значения. Для сглаживания колебательного процесса и придания ему быстрозатухающего характера применяют стабилизирующий трансформатор ТС и электромагнитный регулятор с двумя катушками: рабочей (напряжения) ОЭ и стабилизирующей ОД. К стабилизирующей катушке подключается вторичная обмотка трансформатора ТС.
Так как м.д.с. обеих катушек направлены встречно, колебательный процесс быстро затухает. В цепь первичной обмотки трансформатора включен регулировочный резистор Rр.
Угольные регуляторы напряжения нечувствительны к колебаниям частоты тока во внешней сети в пределах 5—10%, просты в изготовлении, дешевы и имеют небольшой вес. В то же время их применение на судах ограничено вследствие:
недостаточного быстродействия из-за значительных электромагнитной и механической инерционностей;
склонности к автоколебаниям;
малой механической прочности и сравнительно низкой надежности;
значительных уравнительных токов между генераторами при их параллельной работе.
Рис. 7. Принципиальная электрическая схема: а — прямого; б — фазового компаундирования
Компаундирование синхронных генераторов — наиболее простой способ стабилизации напряжения.
Сущность его заключается в том, что ток возбуждения генератора определяется взаимодействием двух составляющих: пропорциональной напряжению генератора, создающей основной магнитный поток, и пропорциональной току нагрузки, компенсирующей действие факторов, влияющих на величину напряжения генератора. Компаундирование может быть косвенное, когда регулирующее воздействие осуществляется через возбудитель, и прямое, когда регулирующее воздействие оказывается непосредственно на цепь возбуждения генератора.
На рис. 7, а приведена принципиальная электрическая схема косвенного токового компаундирования синхронного генератора. Основными элементами ее являются синхронный генератор СГ, возбудитель В и трансформатор тока ТТ с полупроводниковым выпрямителем ВС. В данной схеме регулирующее воздействие оказывается через возбудитель, имеющий две обмотки возбужденияим параллельную ОНВ и независимую ОНВ. Компаундирующий ток iк, протекающий по обмотке ОНВ, пропорционален току статора. Создаваемая им намагничивающая сила арифметически складывается с основной намагничивающей силой обмотки возбуждения ОПВ, обеспечивая регулирующее воздействие на ток возбуждения генератора. При увеличении тока нагрузки в цепи статора генератора и снижении в результате этого напряжения на его зажимах величина компаундирующего тока iк возрастает пропорционально изменению тока нагрузки. Результирующий ток возбуждения также увеличится, вследствие чего восстановится напряжение на зажимах генератора.
В системе токового компаундирования регулирующее устройство реагирует только на изменение абсолютной величины тока нагрузки и нечувствительно к изменениям коэффициента мощности, (Точность регулирования системы — в пределах 5—10%). В то же время напряжение на зажимах генератора зависит также от коэффициента мощности. В системе амплитудно-фазового компаундирования (рис. 7, б) постоянство напряжения поддерживается с учетом влияния изменений как тока нагрузки, так и коэффициента мощности. Точность регулирования повышается до 3%.
Основными элементами системы фазового компаундирования являются: синхронный генератор СГ, возбудитель В, выпрямитель ВС, трансформаторы тока ТТ и напряжения TH. Вторичные обмотки трансформаторов ТТ и TH включены параллельно на вход выпрямителя. Так как обмотки трансформаторов соединены между собой до выпрямителя, составляющие результирующего тока возбуждения, пропорциональные напряжению генератора и току его нагрузки, складываются геометрически и величина тока возбуждения оказывается зависящей от коэффициента мощности нагрузки. При этом, однако, последовательно в цепь вторичной обмотки трансформатора TH должно быть включено компаундирующее сопротивление Ζκ (реактивное) с тем, чтобы между составляющими векторами был образован угол φк, близкий к 90°. В данном случае ток возбуждения генератора при увеличении нагрузки и уменьшении коэффициента мощности cos φ будет возрастать и поддерживать неизменной величину напряжения. Возбудитель имеет одну обмотку возбуждения, по которой протекают токи возбуждения iв и компаундирующий iк. Общий ток возбуждения равен их арифметической сумме.
На судовых электростанциях применяют синхронные генераторы с самовозбуждением. Процесс самовозбуждения у них протекает так же, как и у машин постоянного тока за счет остаточной магнитной индукции в стали ротора.
Однако процесс самовозбуждения синхронного генератора осложняется тем, что остаточное напряжение, составляет всего 2—5% , в то время как сопротивление полупроводниковых вентилей в прямом направлении при малых приложенных к ним напряжениях сравнительно велико. Одним из способов повышения остаточной э.д.с. является применение резонансных контуров. Конденсаторы в начальный момент процесса самовозбуждения служат нагрузкой в цепи статора и создают в его обмотках ток, опережающий напряжение.
За счет этого тока увеличиваются магнитный поток ротора и начальная величина остаточной э.д.с. статора.
Рис. 8. Упрощенная схема системы самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения синхронного генератора
Упрощенная принципиальная схема системы самовозбуждения синхронного генератора и автоматического регулирования его напряжения показана на рис. 8, а.
Приведенная система построена по принципу прямого фазового компаундирования.
Основными элементами системы являются: синхронный генератор СГ, трехобмоточный суммирующий трансформатор ТС с обмотками: токовыми W1, напряжения W2 и рабочими (выходными) W3, емкостный компаундирующий блок С, силовой выпрямитель ВС. На схеме штриховой линией показано включение дополнительного элемента — корректора напряжения КН, повышающего точность регулирования. При наличии корректирующего элемента суммирующий трансформатор имеет дополнительную четвертую обмотку
В начальный момент генератор самовозбуждается за счет остаточного магнетизма в стали ротора. При вращении ротора в обмотке статора наводится остаточная э.д.с. и по замкнутому контуру, образуемому обмоткой статора генератора и обмоткой напряжения w2 трансформатора ТС, потечет переменный ток.
Рис. 9. Синхронный генератор с начальным подмагничиванием от магнитоэлектрического генератора
Возбужденное им магнитное поле индуктирует в рабочей обмотке трансформатора э.д.с. взаимоиндукции, которая создает ток возбуждения в цепи выпрямителя ВС и обмотки генератора. Прохождение тока по обмотке генератора усилит магнитный поток ротора и увеличит э.д.с. в обмотке статора и т. д.
Для увеличения остаточного намагничивания стали ротора в обмотку напряжения W2 трансформатора включены конденсаторы С, образующие вместе с обмоткой резонансный контур.
При работе генератора под нагрузкой проявляется действие токовой обмотки W1. Увеличение нагрузки сопровождается понижением напряжения на зажимах генератора. Однако ток, протекающий по обмотке трансформатора, создает магнитный поток, наводящий в обмотке W3 дополнительную э.д.с., что, в свою очередь, вызывает увеличение тока возбуждения генератора. Напряжение генератора восстанавливается до начальной величины.
С целью обеспечения амплитудно-фазового компаундирования в системе с резонансным контуром обмотки W1 и W2 включены встречно. Результирующая м. д. с. F3 (рис. 8,б) рабочей обмотки W3 равна геометрической сумме м. д. с. F1 и F2 обмоток и w2. При увеличении угла φ от 0 до 90° результирующая м. д. с. F3 возрастает. Соответственно увеличивается и э.д.с генератора и напряжение на его зажимах поддерживается в пределах номинального.
На рис. 8, в приведена векторная диаграмма токов возбуждения основного iв.о и компаундирующего iк. С увеличением угла сдвига фаз между током и напряжением, уменьшением cos φ растут результирующий ток возбуждения I и э.д.с. на зажимах генератора.
Описанная система самовозбуждения и автоматического регулирования обеспечивает регулирование напряжения генератора в зависимости от величины тока и cos φ нагрузки.
У синхронных генераторов типа МСС резонансный контур отсутствует. Начальное подмагничивание предусмотрено от специального генератора ГП с постоянными магнитами (рис. 9), установленного на валу основного генератора. Подмагничивающий генератор подключается к обмотке возбуждения генератора через одно из плеч силового выпрямителя ВС.
Для повышения точности регулирования, сокращения времени восстановления напряжения и максимального учета дополнительных возмущающих воздействий в схему вводится отрицательная обратная связь по отклонению напряжения. Подобное устройство называется корректором напряжения. Чаще всего корректоры напряжения подключаются к обмотке управления трансформатора компаундирования.
Точность регулирования систем фазового компаундирования с корректорами напряжения составляет ±2,5%, без корректоров напряжения — ±5%.
Как зависит напряжение на зажимах синхронного генератора от нагрузки
Работа синхронного генератора под нагрузкой
Если синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхолостую, то тока в обмотках статора нет. Магнитный поток полюсов, созданный током возбуждения, индуктирует в трехфазной обмотке статора эдс.
При нагрузке генератора по обмотке статора протекает ток.
При симметричной нагрузке токи в фазах обмотки статора равны и сдвинуты на 1/3 периода. Токи статора создают вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n 1 = 60f/p = n , т. е. магнитноe поле, созданное токами в обмотке статора, вращается синхронно с магнитным полем полюсов.
В обмотке статора синхронного генератора создается эдс, величина которой зависит от магнитного потока полюсов.
Если магнитный поток полюсов очень мал, то и эдс также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и эдс машины. Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора эдс пропорциональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения.
Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнитный поток полюсов, что вызовет увеличение эдс машины.
Следовательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соответствующее изменение эдс машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.
При холостом ходе синхронного генератора напряжение равно эдс, индуктированной в обмотке статора.
При нагрузке генератора напряжение не равно эдс, так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения.
Кроме того, токи, проходящие по обмоткам статора, создают поток реакции якоря, который воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнитный поток не будет равен магнитному потоку полюсов при холостой работе генератора.
Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в статоре генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.
На (изо, а ) изображены внешние характеристики синхронного генератора при активной и реактивной нагрузках. Эти характеристики показывают зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных частоте вращения ротора и токе возбуждения.
Различный вид этих характеристик при активной, индуктивной и емкостной нагрузках объясняется неодинаковым воздействием поля реакции якоря на магнитный поток полюсов.
Характеристики синхронного генератора: а — внешние, б — регулировочные,
1 — емкостная, 2 — активная, 3 — индуктивная
Для нормальной работы любого приемника электрической энергии требуется постоянное напряжение сети.
Чтобы обеспечить постоянное напряжение сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе, изменяют и ток возбуждения.
Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось неизменным, называется регулировочной характеристикой
(изо, б ).
При активной нагрузке увеличение тока в статоре вызывает незначительное понижение напряжения, так как реакция якоря уменьшает магнитный поток в малой степени.
При этой нагрузке требуется незначительно увеличить ток возбуждения для обеспечения постоянства напряжения.
При индуктивной нагрузке создается размагничивающее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Поэтому, для постоянства напряжения (т. е. для постоянства результирующего магнитного потока) необходимо в большей мере увеличить ток возбуждения для компенсации размагничивающего поля реакции якоря.
При емкостной нагрузке происходит усиление магнитного поля и для постоянства напряжения следует уменьшить ток возбуждения при увеличении тока в статоре.
Наиболее часто синхронные генераторы работают на общую мощную сеть электростанции или энергосистемы. Напряжение такой сети U c и частота тока в ней неизменны. Эдс генератора e г равна и пpотивоположна напряжению сети е г = — u с .
Результирующее магнитное поле Ф р статора, вращающееся с частотой
n 1 = 60f/p в пространстве, опережает напряжение Е г на 90 (изо).
При неизменном напряжении сети U c амплитуда магнитного потока Ф р результирующего магнитного поля статора также неизменна.
При активной нагрузке генератора ток статора I совпадает по фазе с напряжением U г . Поток реакции якоря Ф я совпадает по фазе с током I , так что вектор тока в статоре I в другом масштабе определит вектор Ф я . Результирующий магнитный поток создается действием потока полюсов Ф m и потока реакции якоря Ф я и может быть представлен геометрической суммой этих магнитных потоков.
Векторная диаграмма синхронного генератора
при различных токах возбуждения
Изменение тока возбуждения генератора не вызывает изменения его активной мощности, так как мощность, потребляемая им от первичного двигателя, остается неизменной (вращающий момент первичного двигателя и частота вращения постоянны).
Поэтому активная составляющая тока статора постоянна и конец вектора I ( Ф я ) находится на прямой АВ , параллельной горизонтальной оси.
Если увеличить ток возбуждения, то возрастет поток полюсов Ф m ` , вектор которого находится между прямой АВ и концом неизменного вектора Ф р .
В этом случае изменится как по величине, так и по направлению вектор I` и Ф я ` , т. е. ток окажется отстающим по фазе от напряжения генератора.
При уменьшении тока возбуждения уменьшится также и поток полюсов Ф m « , что приведет к изменению тока в статоре I» ( Фя» ) как по величине, так и по фазе.
Таким образом, изменение тока возбуждения генератора, работающего на мощную сеть, вызывает изменение реактивной составляющей тока в статоре, т. е. изменяет реактивную мощность, вырабатываемую генератором.
Для изменения активной мощности необходимо изменить вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора.
Под действием вращающего момента первичного двигателя М 1 ротор машины с помещенными на нем полюсами приводится во вращение с частотой вращения
в минуту n .
Результирующее поле статора вращается в том же направлении с частотой
n 1 = n (изо, а ).
Следовательно, поле полюсов Ф m и результирующее поле статора Ф р вращаются синхронно, оставаясь неподвижными друг относительно друга, и между этими полями устанавливается взаимодействие. В результате создается электромагнитный тормозной момент М э , уравновешивающий момент первичного двигателя.
При равновесии моментов M 1 = M э угол между осями магнитных полей остается неизменным.
Если увеличить момент первичного двигателя M 1 ` (изо, 6 ), то он окажется больше тормозного, и ротор, получив некоторое ускорение, начнет перемещаться относительно поля статора, вращающегося с постоянной частотой n 1 = 60f/p (частота тока сети f постоянна).
При этом угол между осями магнитных полей ротора и статора 1 возрастет, увеличивая тормозной электромагнитный момент М э ` так, что вновь восстановится равновесие моментов, т. е. M 1 ` = М э ` .
Угол между осями магнитных полей ротора и статора при меньшем (а),
большем (б) моментах первичного двигателя и при работе синхронной машины двигателем (в)
Для включения генератора в сеть необходимо:
одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;
равенство напряжения сети и эдс генератора;
равенство частот эдс генератора и напряжения сети;
включать генератор в тот момент, когда эдс генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.
Невыполнение этих условий ведет к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести из строя генератор.
При включении генераторов в сеть используют специальные устройства — синхроноскопы.
Простейшим синхроноскопом три лампы накаливания, включаемые между зажимами генератора и контактами сети. Лампы должны быть рассчитаны на двойное напряжение сети и до включения генератора будут одновременно загораться и погасать.
В момент, когда эдс генератора равна и направлена встречно напряжению сети, лампы погаснут, так как напряжение на каждой лампе равно нулю. При погасании ламп генератор включается в сеть.
До включения генератора в сеть эдс его измеряется вольтметром и регулированием тока возбуждения устанавливают ее, равной напряжению сети.
Частота эдс генератора регулируется изменением частоты вращения первичного двигателя.
Режимы работы синхронных генераторов, рабочие характеристики генераторов
Основными величинами, характеризующими синхронный генератор, являются: напряжение на зажимах U , нагрузка I , полная мощность P (кВа), число оборотов ротора в минуту n , коэффициент мощности cos φ .
Важнейшие рабочие характеристики синхронного генератора следующие:
- характеристика холостого хода,
- внешняя характеристика,
- регулировочная характеристика.
Характеристика холостого хода синхронного генератора
Электродвижущая сила генератора пропорциональна величине магнитного потока Ф, создаваемого током возбуждения i в, и числу оборотов n ротора генератора в минуту:
где с — коэффициент пропорциональности.
Хотя величина электродвижущей силы синхронного генератора зависит от числа оборотов n ротора, регулировать ее путем изменения скорости вращения ротора невозможно, так как с числом оборотов ротора генератора связана частота электродвижущей силы, которая должна быть сохранена постоянной.
Следовательно, остается единственный способ регулировки величины электродвижущей силы синхронного генератора — это изменение основного магнитного потока Ф. Последнее обычно достигается путем регулирования тока возбуждения iв с помощью реостата, введенного в цепь возбуждения генератора. В том случае когда обмотка возбуждения питается током от генератора постоянного тока, сидящего на одном валу с данным синхронным генератором, ток возбуждения синхронного генератора регулируется изменением напряжения на зажимах генератора постоянного тока.
Зависимость электродвижущей силы Е синхронного генератора от тока возбуждения iв при постоянстве номинальной скорости вращения ротора ( n = const) и нагрузке, равной нулю ( 1 = 0), называется характеристикой холостого хода генератора.
На рисунке 1 приведена характеристика холостого хода генератора. Здесь восходящая ветвь 1 кривой снята при возрастании тока i в от нуля до i в m , а нисходящая ветвь 2 кривой — при изменении iв от iвm до iв = 0.
Рис. 1. Характеристика холостого хода синхронного генератора
Несовпадение восходящей 1 и нисходящей 2 ветвей объясняется остаточным магнетизмом. Чем больше площадь, ограниченная этими ветвями, тем больше потерь энергии в стали синхронного генератора на перемагничивание.
Крутизна подъема кривой холостого хода на ее начальном прямолинейном участке характеризует магнитную цепь синхронного генератора. Чем меньше расход ампер-витков в воздушных зазорах генератора, тем при прочих одинаковых условиях будет круче характеристика холостого хода генератора.
Внешняя характеристика генератора
Напряжение на зажимах нагруженного синхронного генератора зависит от электродвижущей силы Е генератора, от падения напряжения в активном сопротивлении его статорной обмотки, падения напряжения, обусловленного электродвижущей силой самоиндукции рассеяния Es, и падения напряжения, обусловленного реакцией якоря.
Электродвижущая сила рассеяния Es, как известно, зависит от магнитного потока рассеяния Ф s , который не проникает в магнитные полюса ротора генератора и, следовательно, не изменяет степени намагничивания генератора. Электродвижущая сила самоиндукции рассеяния Es генератора относительно мала, а поэтому практически ею можно пренебречь. В соответствии с этим ту часть электродвижущей силы генератора, которая компенсирует электродвижущую силу самоиндукции рассеяния Es, можно считать практически равной нулю.
Реакция якоря оказывает более заметное влияние на режим работы синхронного генератора и, в частности, на величину напряжения на его зажимах. Степень этого влияния зависит не только от величины нагрузки генератора, но и от характера нагрузки.
Рассмотрим вначале влияние реакции якоря синхронного генератора для случая, когда нагрузка генератора носит чисто активный характер. Для этой цели возьмем часть схемы работающего синхронного генератора, изображенную на рис. 2 ,а. Здесь показаны часть статора с одним активным проводником якорной обмотки и часть ротора с несколькими его магнитными полюсами.
Рис. 2. Влияние реакции якоря для нагрузок: а — активного, б — индуктивного, в — емкостного характера
В рассматриваемый момент времени северный полюс одного из электромагнитов, вращающихся вместе с ротором против часовой стрелки, как раз проходит под активным проводником статорной обмотки.
Электродвижущая сила, индуктированная в этом проводнике, направлена к нам из-за плоскости рисунка. А так как нагрузка генератора носит чисто активный характер, то ток I в якорной обмотке совпадает по фазе с электродвижущей силой. Следовательно, в активном проводнике статорной обмотки ток течет к нам из-за плоскости рисунка.
Магнитные линии поля, создаваемого электромагнитами, показаны здесь сплошными линиями, а магнитные линии поля, создаваемого током провода якорной обмотки, — пунктирной линией.
Внизу на рис. 2 ,а показана векторная диаграмма магнитной индукции результирующего магнитного поля, находящегося над северным полюсом электромагнита. Здесь мы видим, что магнитная индукция В основного магнитного поля, создаваемого электромагнитом, имеет радиальное направление, а магнитная индукция В я магнитного поля тока якорной обмотки направлена вправо и перпендикулярно вектору В .
Результирующая магнитная индукция Врез направлена вверх и вправо. Это значит, что в результате сложения магнитных полей произошло некоторое искажение основного магнитного поля. Слева от северного полюса оно несколько ослабилось, а справа — несколько усилилось.
Нетрудно видеть, что радиальная составляющая вектора результирующей магнитной индукции, от которой по сути дела зависит величина индуктированной электродвижущей силы генератора, не изменилась. Следовательно, реакция якоря при чисто активной нагрузке генератора не влияет на величину электродвижущей силы генератора. Это значит, что и падение напряжения в генераторе при чисто активной нагрузке обусловлено только падением напряжения в активном сопротивлении генератора, если пренебречь электродвижущей силой самоиндукции рассеяния.
Теперь допустим, что нагрузка синхронного генератора носит чисто индуктивный характер. В этом случае ток I отстает по фазе от электродвижущей силы Е на угол π/2 . Это значит, что максимум тока возникает в проводе несколько позднее, чем максимум электродвижущей силы. Следовательно, когда в проводе якорной обмотки ток достигнет максимального значения, северный полюс N будет уже не под этим проводом, а сместится несколько дальше в направлении вращения ротора, как это показано на рис. 2 ,б.
В этом случае магнитные линии (пунктирные линии) магнитного потока якорной обмотки замыкаются через два соседних разноименных полюса N и S и направлены навстречу магнитным линиям основного магнитного поля генератора, создаваемого магнитными полюсами. Это приводит к тому, что основное магнитное пате не только искажается, но и делается несколько слабее.
На рис. 2,6 приведена векторная диаграмма магнитных индукций: основного магнитного поля В, магнитного поля, обусловленного реакцией якоря В я, и результирующего магнитного поля В рез.
Здесь мы видим, что радиальная составляющая магнитной индукции результирующего магнитного поля стала меньше магнитной индукции В основного магнитного поля на величину Δ В. Следовательно, стала меньше и индуктированная электродвижущая сила, так как она обусловлена радиальной составляющей магнитной индукции. А это значит, что напряжение на зажимах генератора при всех прочих равных условиях будет меньше, чем напряжение при чисто активной нагрузке генератора.
Если генератор имеет нагрузку чисто емкостного характера, то ток в нем опережает по фазе электродвижущую силу на угол π/2 . Ток в проводниках якорной обмотки генератора теперь достигает максимума раньше, чем электродвижущая сила Е. Следовательно, когда в проводе якорной обмотки (рис. 2,в) ток достигнет максимального значения, северный полюс N еще не подойдет под этот провод.
В этом случае магнитные линии (пунктирные линии) магнитного потока якорной обмотки замыкаются через два соседних разноименных полюса N и S и направлены попутно с магнитными линиями основного магнитного поля генератора. Это приводит к тому, что основное магнитное поле генератора не только искажается, но и несколько усиливается.
На рис. 2,в приведена векторная диаграмма магнитной индукции: основного магнитного поля В , магнитного поля, обусловленного реакцией якоря Вя, и результирующего магнитного поля B рез. Мы видим, что радиальная составляющая магнитной индукции результирующего магнитного поля стала больше магнитной индукции В основного магнитного поля на величину Δ В. Следовательно, увеличилась и индуктированная электродвижущая сила генератора.А это значит, что напряжение на зажимах генератора при всех прочих одинаковых условиях станет больше, чем напряжение при чисто индуктивной нагрузке генератора.
Выяснив влияние реакции якоря на электродвижущую силу синхронного генератора при различных по своему характеру нагрузках, перейдем к выяснению внешней характеристики генератора. Внешней характеристикой синхронного генератора называется зависимость напряжения U на его зажимах от нагрузки I при постоянной скорости вращения ротора (n = const), постоянстве тока возбуждения (i в = const) и постоянстве коэффициента мощности (cos φ = const).
На рис. 3 приведены внешние характеристики синхронного генератора для различных по своему характеру нагрузок. Кривая 1 выражает внешнюю характеристику при активной нагрузке (cos φ = 1,0). В этом случае напряжение на зажимах генератора падает при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной в пределах 10 — 20% напряжения при холостом ходе генератора.
Кривая 2 выражает внешнюю характеристику при активно-индуктивной нагрузке (cos φ = 0 ,8). В этом случае напряжение на зажимах генератора падает быстрее из-за размагничивающего действия реакции якоря. При изменении нагрузки генератора от холостого хода до номинальной напряжение уменьшается в пределах 20 — 30% напряжения при холостом ходе.
Кривая 3 выражает внешнюю характеристику синхронного генератора при активно-емкостной нагрузке (cos φ = 0,8). В этом случае напряжение на зажимах генератора несколько растет из-за намагничивающего действия реакции якоря.
Рис. 3. Внешние характеристики генератора переменного тока для различных нагрузок: 1 — активной, 2 — индуктивной, 3 емкостной
Регулировочная характеристика синхронного генератора
Регулировочная характеристика синхронного генератора выражает зависимость тока возбуждения i в генератора от нагрузки I при постоянстве действующего значения напряжения на зажимах генератора (U = const), постоянстве числа оборотов ротора генератора в минуту ( n = const) и постоянстве коэффициента мощности (cos φ = const).
На рис. 4 приведены три регулировочные характеристики синхронного генератора. Кривая 1 относится к случаю активной нагрузки (cos φ = 1 ) .
Рис. 4. Регулировочные характеристики генератора переменного тока для различных нагрузок: 1 — активной, 2 — индуктивной, 3 — емкостной
Здесь мы видим, что с ростом нагрузки I генератора ток возбуждения растет. Это понятно, так как с ростом нагрузки I увеличивается падение напряжения в активном сопротивлении якорной обмотки генератора и требуется увеличить электродвижущую силу Е генератора путем увеличения тока возбуждения i в , чтобы сохранить постоянство напряжения U.
Кривая 2 относится к случаю активно-индуктивной нагрузки при cos φ = 0 ,8 . Эта кривая поднимается круче, чем кривая 1, вследствие размагничивающего действия реакции якоря, снижающего величину электродвижущей силы Е, и, следовательно, напряжение U на зажимах генератора.
Кривая 3 относится к случаю активно-емкостной нагрузки при cos φ = 0,8. Эта кривая показывает, что с ростом нагрузки генератора требуется меньший ток возбуждения iв генератора для поддержания постоянства напряжения на его зажимах. Это понятно, так как в этом случае реакция якоря усиливает основной магнитный поток и, следовательно, способствует увеличению электродвижущей силы генератора и напряжения на его зажимах.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: