Векторные диаграммы синхронного генератора

Воспользовавшись уравнением ЭДС (28), построим век­торную диаграмму явнополюсного синхронного генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток I₁ отстает по фазе от ЭДС E₀). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х. E₀; тока нагрузки I₁ и его угла сдвига ψ₁, относительно ЭДС E₀; продольного x_ad и поперечного х_ad индуктивных сопротивлений реакции якоря; ак­тивного сопротивления фазной обмотки статора r₁.

При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы.

Рисунок 16. Векторные диаграммы явнополюсного (а и б) и неявнополюсного (в и г) синхронных генераторов:

(а и в) – при активно-индуктивной нагрузке; (б и г) – при активно-емкостной нагрузке

Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис. 16, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС Е₀ и под углом ψ₁, к нему – вектор тока I ₁.

Последний разло­жим на составляющие: реактивную I_d = I ₁sin ψ₁ и активную I_q = I ₁cos ψ₁. Далее, из конца вектора Е₀ откладываем векторы ЭДС Е _{1 d} = -jI_d x_ad; Е _{1 q} = -jI_q x_aq; Е_{σ 1} = -jI ₁ x ₁; U _a1 = -I ₁ r ₁.

Соединив конец вектора U _a1 = -I ₁ r ₁ с точкой О, получим век­тор напряжения U ₁ значение которого равно геометрической сумме векторов ЭДС (28).

При построении векторной диаграммы генератора, работаю­щего на активно-емкостную нагрузку (ток I ₁ опережа­ет по фазе ЭДС E₀), вектор тока I ₁ откладывают влево от вектора ЭДС (рис. 16, б), а направление вектора Е _{1 d} устанавливают со­гласно с направлением вектора ЭДС E₀, так как при емкостном ха­рактере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном, порядок построения диаграммы остается прежним.

Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (32), при этом век­тор Е₀ откладывают под углом у, к вектору тока I ₁ (рис. 16, в).

Следует отметить, что построенные векторные диаграммы не учитывают насыщения магнитной цепи, поэтому выражают лишь качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы дают возможность сделать следующие выводы: основным факто­ром, влияющим на изменение напряжения нагруженного генера­тора, является продольная составляющая магнитного потока яко­ря, создающая ЭДС Е _{1 d} при работе генератора на активно-­индуктивную нагрузку, т. е. с током I ₁, отстающим по фазе от ЭДС Е₀, напряжение на выводах обмотки статора U ₁, с увеличе­нием нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно-­емкостную нагрузку (с током I ₁ опережающим по фазе ЭДС Е₀) напряжение U ₁, с увеличением нагрузки повышается, что объясня­ется подмагничивающим влиянием реакции якоря (рис. 16, г).

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 = Е₀ от тока возбуждения I _в0 n ₁ = const. Схема включения синхронного генератора для снятия ха­рактеристики х.х. приведена на рисунке 17(а). Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е_* = f (I _в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (рис. 17, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Здесь Е_* = E₀/U_1ном – относительная ЭДС фазы обмотки ста­тора; I _в = 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. 18, 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 = l,25 I _1ном), 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. 18, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравне­нию с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r ₁ ≈ 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.

Векторная диаграм­ма, построенная для ге­нератора при опыте трехфазного к.з., пред­ставлена на рисунке 18 (в). Из диаграммы вид­но, что ЭДС Е_к, инду­цируемая в обмотке ста­тора, полностью урав­новешивается ЭДС продольной реакции якоря E_ld = -jI_d x_ad и ЭДС рассеяния Е_{σ 1} = -jI ₁ x ₁:

Е _к = Е _{1 d} + E_{σ 1}

При этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две со­ставляющие: одна ком­пенсирует падение на­пряжения jI_x x₁, а дру­гая компенсирует раз­магничивающее влия­ние реакции якоря jI_dx_ad

Рисунок 17. Опыт холостого хода синхронного генератора

Рисунок 18. Опыт короткого замыкания синхронного генератора.

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. 19), при этом на оси ор­динат отмечают относительные значения напряжения х.х. Е_* = Е ₀/ U _1ном и тока к.з. I_к* = I _1к/ I _1ном. На оси ординат отклады­вают отрезок ОВ, выражающий в масштабе напряжения относи тельное значение ЭДС рассеяния E_σ1* = -jI₁x₁/U_1ном. Затем точку В сносят на характеристику х.х. (точка В’) и опускают перпендикуляр B'D на ось абсцисс. Полученная точка D разделила ток возбуждения I _в0ном на две части: I _вх – ток возбуждения, необходимый для компен­сации падения напряжения jI₁x₁, и I _{в d} – ток возбуждения, компен­сирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Рисунок 19. 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 _вк.ном, соответствующему номиналь­ному току статора при опыте к.з. (рис. 19, б):

ОКЗ = I _в0ном/ I _вк.ном. (34)

Для турбогенераторов ОКЗ = ; для гидрогене­раторов ОКЗ = .

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 = f(I₁) при I _в = const; cos φ ₁ = const; n₁ = n_ном = const. На рисунке 20(а) представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (cos φ ₁ = 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 (cos φ ₁ < 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 (cos φ ₁ < 1; емк.) уменьшение I₁ со­провождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной состав­ляющей реакции якоря.

Рисунок 20. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики син­хронного генератора

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I _в = const и п₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%):

(35)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому ΔU_1ном отрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U₁ при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежа­ние повреждения изоляций обмотки ΔU_1ном не должно превышать 50%.

Регулировочная характеристика. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I _в = f(I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cos φ ₁ = const. На рисунке 20(б) представлены регулировочные харак­теристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cos φ ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁ сопровождается уменьшени­ем напряжения U₁ поэтому для поддержания этого напряжения неиз­менным по мере увеличения тока нагрузки I₁ следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cos φ ₁ < 1;инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁ (рис. 20, а), по­этому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном следует повышать в большей степени. При емкостном же харак­тере нагрузки (cos φ ₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U_h поэтому для поддержания U₁ = U_1ном ток воз­буждения следует уменьшать.

Практическая диаграмма ЭДС синхронного генератора

Изменение напряжения синхронного генератора ΔU_ном при сбросе номинальной нагрузки можно определить графически построением практической диаграммы ЭДС. Предположим, что синхронный генератор работал в режиме номинальной нагрузки, а затем нагрузка была полностью сброшена, но частота вращения и ток возбуждения при этом остались неизменными. Напряжение генератора после сброса нагрузки возросло на ΔU_ном. Для оп­ределения этого значения проделаем следующее (рис. 21): в одних осях координат построим характеристики холостого хода и короткого замыкания.

Рисунок 21. Практическая диаграмма ЭДС

Затем на оси ординат построим вектор АО = U_1ном и под углом φ ₁ к вектору ОА проведем вектор тока I_1ном. Прибавив к вектору U_1ном векторы падения напряжения I _1ном r ₁ и jI _1ном х ₁, найдем ЭДС нагруженного генератора:

Е _н.г = U _1ном + I _1ном r ₁ + jI _1ном х ₁. (36)

Перенося точку В на характеристику х.х. (точка С), проведем ординату CD. Полученный на оси абсцисс отрезок OD определяет ток возбуждения I _в необходимый для создания ЭДС нагруженно­го генератора Е_{н .г}. Но при работе генератора без нагрузки его ЭДС Е₀ больше, чем ЭДС Е_н.г, на значение ЭДС продольной реак­ции якоря Е_1d, т.е. Е₀ = Е_н.г + Е_1d.

Для учета Е_1d определим ток возбуждения I_вd, соответст­вующий продольно-размагничивающему действию реакции якоря. Проделав необходимые построения, определяем I_вd = LG (рис. 21). Затем из точки D под углом φ’ ₁ = φ ₁ + γ к CD проводим вектор DM = I_вd. Из центра О радиусом ОМ опишем дугу до пересе­чения с осью абсцисс в точке N. Тогда ON = I_в.ном – ток возбуждения, соответствующий ЭДС Е₀ = NP. Проведя из точки А па­раллельно оси абсцисс линию AR, получим:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: