Исследование синхронного генератора

ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Цель работы

 

1. Изучить устройство и принцип действия синхронного генератора, исследовать его работу при холостом ходе и под нагрузкой.

2. Освоить методику экспериментального исследования и снять основные характеристики синхронного генератора: холостого хода, внешнюю и регулировочную.

Основные теоретические положения

Синхронными называют электрические машины переменного тока, в которых частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля якоря, т. е. n₂=n₁. Они широко используются в электроэнергетике, промышленности и сельском хозяйстве в качестве генераторов электрической энергии переменного тока, двигателей и компенсаторов реактивной мощности.

Синхронные генераторы – наиболее широко используемый для производства электроэнергии тип генераторов. Их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронных генераторов во многом зависит от типа привода.

Турбогенераторы используются на тепловых и атомных электростанциях приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами. Обычно это крупные быстроходные электрические машины мощностью 30–1000 МВА и частотой вращения 3000 и 1500 об/мин, приводимые во вращение паровыми турбинами. При указанной частоте вращения для получения частоты переменного тока f=50 Гц турбогенераторы выполняются двух- и четырехполюсными. Для обеспечения механической прочности при большой окружной скорости роторы выполняют неявнополюсными из цельной стальной поковки.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидротурбиной с относительно небольшой частотой вращения 50…120 об/мин. Поэтому для обеспечения частоты переменного тока f=50 Гц требуется большое число полюсов (несколько десятков). Как следствие, гидрогенераторы имеют весьма большой диаметр ротора при относительно малой длине.

Дизель-генераторы приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания и используются преимущественно как автономные источники электроэнергии. Они имеют роторы явнополюсного типа, чаще всего четырехполюсные.

Синхронный генератор может питать подключенную к нему нагрузку автономно или работать параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы.

Устройство активной части. Синхронная машина состоит из статора и ротора (рис. 6. 1, а). Статоры синхронных машин имеют принципиально ту же конструкцию, что и статоры асинхронных машин. Сердечник собирается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга с целью снижения потерь энергии на вихревые токи. В крупных машинах он шихтуется. В пазах на внутренней стороне сердечника укладывается распределенная трехфазная обмотка статора. Фазы обмотки статора чаще соединяются в звезду (рис. 6. 1, б).

 

                                     а)                                                                          б)

 

Рис. 6. 1. Трехфазный синхронный генератор: а) устройство; б) схема;

1 – обмотка статора; 2 – сердечник статора; 3– полюсы ротора; 4 – обмотка возбуждения;
5 – контактные кольца; 6 – щетки; 7 – вал

 

Роторы синхронных машин могут иметь явно- и неявнополюсную конструкции. Неявнополюсными выполняют роторы турбогенераторов и турбодвигателей, имеющих высокую частоту вращения (двух- или четырехполюсные). Сердечники таких роторов выполняют из цельной поковки магнитомягкой стали. На внешней поверхности сердечника выполняют пазы, в которые укладывается распределенная обмотка возбуждения. Явнополюсные роторы имеют сосредоточенную обмотку возбуждения в виде катушек, расположенных на полюсах. Конструктивное исполнение явнополюсных роторов весьма разнообразно. В достаточно типичной конструкции сердечник ротора состоит из полюсов, которые устанавливаются на массивном стальном ободе, насаживаемом на вал. Обод также выполняет функцию ярма, замыкающего магнитную цепь полюсов. Сердечники полюсов с полюсными наконечниками набирают из отдельных пластин.

Обмотка вращающегося ротора СМ получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца и щетки (рис. 6. 1). В современных генераторах в качестве источников питания обмоток возбуждения часто используют полупроводниковые выпрямители. В исследуемом генераторе таким источником является небольшой генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронного генератора.  

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется ЭДС и протекает ток нагрузки, называют якорной, а часть машины, на которой расположена эта обмотка – якорем. Обмотка, создающая первичное магнитное поле (поле возбуждения), называется обмоткой возбуждения, а часть машины, на которой она расположена – индуктором. Обычно в синхронной машине статор является якорем, а ротор – индуктором, как это показано на рис. 6. 1, а.

Принцип действия. Синхронный генератор предназначен для преобразования механической энергии первичного двигателя в электрическую энергию переменного тока.

Предположим, что обмотка возбуждения генератора получает питание от источника постоянного тока и создает в зазоре генератора синусоидально распределенное магнитное поле с числом пар полюсов р. Такое распределение поля возбуждения обеспечивается в явнополюсных генераторах – неравномерным воздушным зазором между полюсом и статором, у неявнополюсных – неравномерным размещением по окружности ротора витков обмотки возбуждения.

При вращении первичным двигателем ротора генератора витки обмотки статора пересекает переменный (вследствие вращения ротора) магнитный поток возбуждения Ф₀ и индуктирует в них переменную ЭДС e₀ (рис. 6. 2, а) с частотой прямо пропорциональной числу пар р полюсов и частоте n вращения ротора: f=pn. Действующее значение фазной ЭДС генератора рассчитывается по аналогичной трансформатору формуле:

 

E₀=4, 44k_обpnwФ₀.                                    (6. 1)

 

где Ф₀ – магнитный поток полюса ротора (индуктора); w – число витков в фазе обмотки статора; k_об – обмоточный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности обмотки статора (распределение по пазам и укорочение шага).

 

 

                                       а)                                                                  б)

 

Рис. 6. 2. Принцип действия синхронного генератора:
а) физические процессы, б) векторная диаграмма ЭДС

 

Пространственный сдвиг магнитных осей фаз обмотки статора генератора относительно друг друга по окружности статора под 120° (электрических) приводит к соответствующему сдвигу по фазе индуктируемых в них ЭДС (рис. 6. 2, б).

Процесс наведения в обмотке статора трехфазной ЭДС не требует затрат механической энергии. Поэтому предварительно раскрученный ротор при холостом ходе и отсутствии механических и иных потерь мог бы вращаться бесконечно долго.

Предположим, что к генератору подключена симметричная нагрузка, при которой по обмотке якоря под действием ЭДС e₀ протекает ток i. При этом возникает волна МДС якоря, которая имеет то же, что и поле возбуждения число полюсов, и вращается с той же частотой, что и ротор (синхронно). При этом волны тока якоря и поля возбуждения неподвижны относительно друг друга, чем обеспечивается возможность непрерывного взаимодействия.

Обычно подключенные к генератору электроприемники всегда потребляют активную мощность, и ток якоря имеет активную составляющую i_а, совпадающую по фазе с индуктируемой ЭДС е₀. Так как направление протекания этой составляющей под северными и южными полюсами обмотки возбуждения противоположно на проводники обмотки статора со стороны поля возбуждения действуют электромагнитные силы F_эм одного направления, – в сторону вращения ротора (рис. 6. 2, а). В соответствии с третьим законом Ньютона к ротору приложены противодействующие силы, создающие тормозной момент М_эм.

Для поддержания непрерывного вращения ротора тормозной электромагнитный момент генератора компенсируется вращающим моментом приводного двигателя: М_эм=М_вр. Этим обеспечивается непрерывное преобразование механической энергии в электрическую.

Уравнение электрического равновесия и схема замещения генератора. При нагрузке обмотка якоря генератора создает собственное магнитное поле, вращающееся с той же частотой, что и ротор (синхронно) и индуктирующее в самой обмотке ЭДС самоиндукции Е_а.

При неявнополюсном исполнении синхронного генератора воздушный зазор между сердечниками статора и ротора равномерный, и поле якоря не зависит от характера нагрузки. В этом случае явление самоиндукции в обмотке якоря учитывается введением, так называемого, синхронного индуктивного сопротивления x_с, как для обычной катушки индуктивности. Исходя из этого представления и рассмотренных выше физических процессов, для фазы обмотки якоря в соответствии со 2-м законом Кирхгофа можно составить следующее уравнение электрического равновесия:

 

U=Е₀–jx_сI–rI.                                        (6. 2)

 

где U – напряжение на зажимах генератора; r – активное сопротивление обмотки якоря (в машинах средней и большой мощности r< < x_с, поэтому с целью упрощения им часто пренебрегают).

В соответствии с этим уравнением схема замещения фазы обмотки якоря неявнополюсного генератора может быть представлена как схема замещения обычной катушки с дополнительно включенной переменной ЭДС E₀, индуктируемой полем возбуждения. (рис. 6. 3, а). Упрощенная векторная диаграмма (принято r»0) для случая активно-индуктивной нагрузки, соответствующая уравнению (6. 2), изображена на рис. 6. 3, б.

Фазовые соотношения между электрическими величинами на векторных диаграммах рис. 6. 3 имеют следующий смысл:

j – разность фаз между напряжением U на зажимах генератора и током I якоря, равная аргументу комплексного сопротивления нагрузки;

y – разность фаз между ЭДС Е₀, индуктируемой в обмотке якоря потоком возбуждения и током I якоря генератора, равная аргументу результирующего комплексного сопротивления обмотки якоря и нагрузки;

q=y-j – разность фаз между ЭДС Е₀ и напряжением U на зажимах генератора, называемая углом нагрузки, так как связана с активной мощностью (нагрузкой) генератора.

 

 

                   а)                                           б)                                            в)

 

Рис. 6. 3. Схема замещения фазы синхронного генератора (а)
и упрощенная векторная диаграмма при активно-индуктивной нагрузке
при неявнополюсном (б) и явнополюсном (в) исполнении ротора

 

При явнополюсном исполнении воздушный зазор между сердечниками статора и ротора синхронного генератора резко неравномерный: под полюсами он значительно меньше, чем в междуполюсном пространстве. Это приводит к зависимости поля якоря от характера нагрузки при одной и той же МДС якорной обмотки. При хяре нагрузки, соответствующем y=0, когда магнитная ось поля якоря направлена по поперечной оси генератора, оно меньше, чем при y=p/2, когда магнитная ось поля якоря направлена по продольной оси генератора. Вследствие этого синхронное индуктивное сопротивление x_с, учитывающее явление самоиндукции, при явнополюсном роторе изменяется по величине в зависимости от угла y: x_с=f(y). Чтобы применительно к явнополюсному генератору в уравнении (6. 2) не использовать переменный коэффициент x_с(y), применяют метод двух реакций, в соответствии с которым вводятся два параметра: x_q=x_с(0) и x_d=x_с(p/2), называемые синхронными индуктивными сопротивлениями, соответственно, по поперечной и продольной осям. Эти параметры учитывают индукционное действие соответствующих составляющих полей якоря, являясь «сопротивлениями» для составляющих тока якоря по поперечной I_q и продольной I_d оси (активной и реактивной). Так как воздушный зазор под полюсами меньше, чем в междуполюсном пространстве, то x_d> x_q.

В соответствии с методом двух реакций уравнение электрического равновесия для фазы обмотки якоря явнополюсного синхронного генератора примет вид:

 

U=Е₀–jx_qI_q–jx_dI_d–rI,                                 (6. 3)

 

Упрощенная векторная диаграмма (принято r»0) для случая активно-индуктивной нагрузки, соответствующая (6. 3), изображена на рис. 6. 3, в.

Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения. Это воздействие зависит не только от величины тока якоря I (как это имеет место в машинах постоянного тока), но и от характера нагрузки, определяющего угол сдвига по фазе между ЭДС и током в обмотке якоря.

Синхронные генераторы преимущественно работают при смешанной активно-индуктивной нагрузке, при которой 0< y< p/2 и ток якоря содержит активную I_q и реактивную I_d составляющие (соответствующее разложение для явнополюсного генератора показано на рис. 6. 3, в).

Распределение тока активной составляющей I_q относительно полюсов ротора соответствует рис. 6. 2, а. Магнитная ось созданного ею поля повернута относительно магнитного поля возбуждения на 90° (эл) против направления вращения и направлена по поперечной оси ротора. Поэтому реакция якоря, обусловленная этой составляющей, называется поперечной. Под набегающими краями полюсов поле поперечной реакции якоря направлено встречно, а под сбегающими – согласно с полем возбуждения. Если магнитная цепь генератора под сбегающими краями полюсов насыщена, это приводит к дополнительному насыщению, увеличению магнитного сопротивления и, как следствие, некоторому ослаблению результирующего потока.

С активной составляющей тока якоря связано преобразование механической энергии в электрическую.

Магнитное поле, обусловленное индуктивной реактивной составляющей I_d тока якоря, направлено противоположно магнитному полю ротора, и результирующее поле генератора ослабляется. Магнитная ось этого поля направлена по продольной оси ротора. Поэтому реакция якоря в этом случае называется продольно-размагничивающей.

При емкостной нагрузке магнитное поле, обусловленное реактивной составляющей I_d тока якоря, направлено согласно с магнитным полем возбуждения, и результирующее поле генератора усиливается. Поскольку магнитная ось этого поля также направлена по продольной оси ротора, реакция якоря имеет продольно-намагничивающий характер.

Эксплуатационные свойства синхронных генераторов определяются характеристиками холостого хода, внешней и регулировочной. Их получают экспериментальным или расчетным путем при номинальной частоте вращения (n=n_н=const) и неизменном характере нагрузки (j=const).

Характеристика холостого хода – это зависимость Е=f(I_в) – ЭДС якоря от тока возбуждения при разомкнутой цепи нагрузки (I=0). Поскольку в соответствии с (6. 1) ЭДС прямо пропорциональна потоку, эта характеристика отражает свойства магнитной цепи генератора (рис. 6. 4).

При малых токах возбуждения, когда магнитопровод ненасыщен, ЭДС Е₀ прямо пропорциональна току возбуждения I_в. По мере насыщения магнитной цепи скорость возрастания Е₀=f(I_в) снижается, вследствие чего эта зависимостьстановится более пологой.

 

 

Рис. 6. 4. Характеристика холостого хода синхронного генератора

 

Рабочая точка, соответствующая номинальному напряжению U_н генератора, обычно располагается на перегибе характеристики холостого хода. В этом случае магнитная цепь генератора используется наиболее оптимально.

Внешняя характеристика представляет зависимость U=f(I) – напряжения генератора, работающего на автономную нагрузку, от тока якоря при условии, что характер нагрузки и ток возбуждения не изменяются (j=const, I_в=const). Она показывает, как изменяется напряжение на зажимах генератора при изменении его нагрузки в естественных условиях работы (в случае отсутствия регулирования напряжения).

Семейство внешних характеристик генератора при различных характерах нагрузки изображено на рис. 6. 5. Как следует из рассмотренных выше физических процессов и уравнений (6. 2)-(6. 3), при постоянном характере нагрузки изменение напряжения на зажимах автономно работающего генератора обусловлено реакцией якоря и падением напряжения в обмотке якоря.

При увеличении активной нагрузки (j=0) напряжение на зажимах генератора уменьшается (кривая 1 рис. 6. 5) из-за падения напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки статора и ослабления магнитного поля машины вследствие размагничивающего действия реакции якоря (при j=0 ® y=q, см. рис. 6. 3, б, в).

 

 

                                а)                                                            б)

 

 

Рис. 6. 5. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики синхронного генератора:

1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке;

3 – при активно-емкостной нагрузке

 

При активно-индуктивной нагрузке (j> 0) размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря проявляется сильнее,
и напряжение на зажимах генератора снижается в большей степени (кривая 2).

В определенном диапазоне нагрузок активно-емкостного характера (j< 0), обеспечивающем опережение по фазе тока I якоря относительно ЭДС Е₀, реакция якоря имеет продольно-намагничивающий характер.
В этом диапазоне рост тока якоря вызывает увеличение напряжения (кривая 3).

Регулировочная характеристика – это зависимость I_в=f(I) – тока возбуждения от тока нагрузки при условии, что характер нагрузки и напряжения на выводах генератора не изменяются. Регулировочные характеристики определяются видом соответствующих внешних характеристик. Например, при активно-индуктивной нагрузке напряжение генератора уменьшается (кривая 2 на рис. 6. 5, а). Следовательно, с ростом нагрузки для поддержания напряжения постоянным необходимо увеличивать ток возбуждения генератора (кривая 2 на рис. 6. 5, б).

При часто меняющейся нагрузке регулирование вручную тока возбуждения для поддержания стабильности напряжения практически невозможно. Поэтому в современных синхронных генераторах обычно применяется автоматическое регулирование.

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: