Регулировочные характеристики СГ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЁХФАЗНОГО

СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Методические указания

к лабораторной работе по курсу “Электромеханика”

 

 

 

 

Новочеркасск 2006

 

УДК (076.5) 001.57:621.314.25

 

Рецензент – кандидат технических наук В.П. Гринченков

 

Составитель Пахомин С.А.

Исследование трёхфазного синхронного генератора: Методические указания к лабораторной работе по курсу “Электромеханика” /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. – 16 с.

Методические указания предназначены для проведения лабораторных исследований трёхфазного синхронного генератора студентами очной и заочной форм обучения специальностей 140106, 140203, 140211, 140601, 140602, 140604, 140204, 140205.

 

 

© Южно-Российский государственный технический университет, 2006

© Пахомин С.А., 2006

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 f ₁–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_{а н} и тока якоря I_{а н} 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

Е в, В
i в, 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, cos φ= 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 cos φ будет практически неизменной и близкой к единице. Вторую внешнюю характеристику снимают при индуктивном характере нагрузки, при этом величина cos φ 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						cos φ=1
Iа, А
Uа, В						cos φ=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 cos φ=1 (φ=0 – активная нагрузка) и cos φ=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 (cos φ=1 и cos φ=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 ,

i в, A
Iа, А
i в, 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
i в, 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.

 

 

Оформление отчёта

Отчёт по лабораторной работе выполняют рукописным способом чернилами (пастой) на бумаге формата А4 (210 × 297 мм) без основной надписи и дополнительных граф к ней. Текст отчёта может располагаться с обеих сторон листа. Листы отчёта должны быть сброшюрованы. Ширина поля на подшивку – 35 ммм, противоположного – не менее 10 мм, ширина верхнего и нижнего полей – не менее 20 мм. Расстояния между строками должно быть равным 8–10 мм. Абзац начинают отступом на расстоянии 15–17 мм от левого поля.

Нумерация страниц отчета должна быть сквозной: первой страницей является титульный лист. Номер страницы (с точкой) проставляют в верхнем правом углу. На титульном листе отчёта номер страницы не ставят. Страницы отчёта, которые заполнены только рисунками, включают в общую нумерацию. исунки допускается выполнять на белой, клетчатой или миллиметровой бумаге. На поля графиков должна быть нанесена координатная сетка сплошными тонкими линиями. Рисунки должны быть пронумерованы, иметь наименования и в случае необходимости поясняющий текст. Нумерацию рисунков выполняют сквозной в пределах отчёта.

Титульный лист отчёта должен быть оформлён в соответствии со стандартом [5].

Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

-название работы;

-программу работы;

-паспортные данные машины;

-электрические схемы исследований;

-таблицы с результатами исследований;

-графики полученных зависимостей.

 

Контрольные вопросы

Ответы на первые четыре вопроса необходимо знать перед выполнением лабораторной работы, ответы на остальные вопросы – при защите лабораторной работы.

1. Каковы конструкция и назначение основных элементов СГ?

2. Объясните принцип действия СГ.

3. Дайте определение характеристикам СГ.

4. Поясните назначение элементов на схеме для исследований СГ.

5. Назовите основные составляющие магнитного поля в СГ.

6. Приведите формулу связи частоты вращения ротора, частоты питающего напряжения и числа пар полюсов СГ.

7. Какое конструктивное исполнение имеет исследуемый СГ?

8. Зависимость каких величин и при каких условиях выражают характеристики: холостого хода, короткого замыкания, внешняя, регулировочная? Как экспериментально снимают указанные характеристики? Нарисуйте типичный график каждой из характеристик.

9. Что такое реакция якоря синхронного генератора и как она зависит от характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная)?

10. Что такое изменение напряжения СГ? Как определить номинальное изменение напряжения по характеристикам СГ?

11. Объясните вид характеристик холостого хода, короткого замыкания, внешней, регулировочной?

12. Напишите уравнение напряжений в комплексной форме для явнополюсного и неявнополюсного генераторов. Какая система стрелок для ЭДС и тока в якорной обмотке принята при записи уравнений напряжений? Объясните физический смысл каждого символа уравнений напряжений. (для студентов специальности «Электромеханика»).

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1990. – 624 с.

2. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины/Под ред. И.П. Копылова.-М.: Высш. шк., 1990.-304с.

3. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины: В 2 ч. – М.: Высш. шк., 1987. - 319 с.

4. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. – Л.: Энергоатомиздат, 1984. – 408 с.

5. Общие требования и правила оформления текстовых документов в учебном процессе/Сост.: Е.И. Теняков; Новочерк. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: НГТУ, 1994. –24 с.

 

Учебно-практическое издание

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: