Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

282

Таким образом, в синхронном генераторе магнитные поля, создаваемые

обмотками ротора и статора, формируются общим магнитопроводом, вращаются с

одинаковой частотой, взаимно неподвижны и образуют вращающееся рабочее поле

машины с потоком полюса Ф.

Воздействие магнитного поля статора (якоря) на основное поле машины

называют реакцией якоря. Ее эффект, как увидим дальше, зависит не только от тока

статора, но и от характера нагрузки машины [11].

На рис. 12.4 для простоты и большей наглядности обмотка статора ген

ератора

с неявнополюсным ротором (р = 1) показана в виде трех катушек — фаз (А—Х, В—У,

С—Z),

смещенных в пространстве друг относительно друга на 120°. Чтобы определить

относительное

283

расположение осей полей ротора и статора с потоками полюса Ф0 и Фа, во всех

случаях рассматривается момент времени, когда ток в симметричной нагрузке фазы

А—Х имеет максимальное значение,

т. е. ia=Im. При таком условии в двухполюсном генераторе ось поля статора

(создаваемого тремя фазными обмотками) располагается в статоре

перпендикулярно к

плоскости катушки А—Х.

Рассмотрим три предельных случая реакции якоря: 1) э. д. с. и ток фазной

обмотки статора совпадают по фазе (Ψ=0); 2) ток отстает от э. д. с. на четверть

периода (Ψ=90); 3) ток опережает э. д. с. на четверть периода (Ψ=—90°). В первом

случае нагрузка активная, во втором---чисто индуктивная, в третьем--- чисто

емкостная.

Активная нагрузка. Если пренебречь индуктивным сопротивлением рассеяния

обмотки статора, то при чисто активной нагрузке с сопротивлением R

ток в каждой

фазе статора будет совпадать по фазе с ее э. д. с. (Ψ=0). Следовательно, и их

максимумы наступают одновременно: для условия iА== Im, э. д. с. еa= Еm. Если ротор

генератора вращается по ходу часовой стрелки, то максимум э. д. с. Em в фазе А—Х

будет при таком расположении ротора, когда провод А фазы А—Х находится под

серединой «северного» полюса N, а провод Х---под серединой «южного» полюса S

(см. рис. 12.4).

Поскольку ось поля, создаваемого статором, перпенд

икулярна к оси поля полюсов

ротора (продольного поля), в этом случае поле статора называется поперечным. Как

следует из рис. 12.4, а, реакция якоря при активной нагрузке, действуя поперек оси поля

ротора, искажает картину результирующего магнитного поля ма

шины (распределение

его индукции в воздушном зазоре между статором и ротором). Однако до насыщения

сердечника, как и в машине постоянного тока (см. п. 10.8), мало изменяется поток

полюса Ф0 основного воля, так как на набегающем крае полюса поле статора осл

абляет

поле ротора, на сбегающем---

усиливает его. С насыщением сердечника поток полюса Ф

машины в воздушном зазоре, как и в статоре, уменьшается из-за того, что у

набегающей части конца полюса он ослабляется больше, чем усиливается у сбегающего

края. Соотв

етственно уменьшается э. д. с. (и напряжение) фазной обмотки статора и

несколько искажается ее синусоидальность.

Чисто индуктивная нагрузка

. При чисто индуктивной нагрузке генератора (рис.

12.4,6) ток в фазной обмотке статора отстает по фазе от

э. д. с. на четверть периода

(Ψ=90°) и, следовательно, ток достигает максимума (iА=Im)

спустя четверть периода

после достижения максимума э. д. с. в фазе А—Х. На рис. 12.4,6 ротор должен быть

повернут по направлению вращения из положения рис. 12.4,а на 90°, и тогда ось его

полюсов расположится горизонтально, «северный» полюс выбежит относительно

плоскости фазы А—Х вперед на 90°. Оси полей совмещаются но поле статора

действует встречно волю ротора. Реакция якоря размагничивает машину.

Результирующее поле и

э. д. с. фазы генератора уменьшаются. Поскольку в этом случае

поле якоря действует вдоль основного поля ротора, его называют продольно-

размагничивающим.

284

Чисто емкостная нагрузка. При чисто емкостной нагрузке Хс (рис. 12.4,в) ток

статора iА опережает по фазе э. д. с. на четверть пе-

риода (Ψ= 90). Максимум тока А

наступает также при горизонтальном расположении

оси полюсов ротора, но когда его «северный» полюс не дойдет до плоскости фазы А—

на 90. Поле статора совпадает по направлению с полем ротора и складывается с ним.

Реакция якоря намагничивает машину, усиливает ее результирующее поле и увеличивает

э. д. с. При емкостной нагрузке поле статора называют продольно-намагничивающим.

Смешанная нагрузка. При активно-индуктивной нагрузке ток отстает по фазе

от э. д. с., а при активно-емкостной—опережает ее на некоторый угол Ψ,

меньший 90°.

Результирующее поле синхронной машины при нагрузке создается суммарным

действием м. д. с. обмотки возбуждения ротора F0 и обмотки якоря Fа. При этом в

общем случае м. д. с. обмотки статора Fa может быть разложена* на две взаимно

перпендикулярные составляющие: поперечную Faq,

перпендикулярную к оси поля ротора,

от активной нагрузки (обусловленную активной составляющей тока статора IсоsΨ

) и

продольную Fad---встречную (индуктивную) или совпадающую (емкостную) по

направлению с осью поля ротора (обусловливается реактивной составляющей тока

статора I sinΨ) , т. е.

В синхронном генераторе с явнополюсным ротор

ом при заданной м. д. с. обмотки

статора поток полюса Фa меньше, чем поток неявнополюсной машины с одинаковым

зазором по окружности статора. Это обусловлено повышенным магнитным

сопротивлением неравномерного зазора между полюсными наконечниками ротора и

статором, а также наличием значительного воздушного зазора в межполюсном

пространстве ротора с резким уменьшением магнитной индукции в нем. Чтобы учесть

данное обстоятельство, явнополюсную машину рассматривают как неявнополюсную, но

с соответственно уменьшенной поперечной составляющей м. д. с. реакции якоря Faq.

В обозначениях статорных величин Fa,Φa , Iа и других индекс «а» сохранился в

связи с наименованием статора синхронной машины «якорь»---по-английски «armature

»,

а по-немецки «anker».

Реакция якоря имеет место и в синхронной машине, работающей в режиме

двигателя.

12.5. Уравнение электрического состояния

и векторная диаграмма синхронного генератора

Хотя физически в синхронном генераторе поле ротора и поле статора образуют

единое результирующее поле машины, а в статоре имеется потокосцепление рассеяния

Ψрас, при определении напряжения на полюсах генератора их действие целесообразно

рассматривать раздельно, а явление реакции якоря---

без учета насыщения сердечника.

*М. д. с.— скалярная величина. Разложение м. д. С. Fa на две пространственные составляющие---

условное, фактически оно соответствует представлению вектора напряженности магнитного поля двумя

ортогональными составляющими.

285

Каждое из магнитных полей машины сцеплено с трехфазной обмоткой статора

и создает в ней свою э. д. с. Рассмотрим э. д. с., ток и напряжение для одной фазной

обмотки статора.

Вращающееся поле ротора с потоком полюса Ф0 индуцирует фазную э. д. с. Е0,

определяемую выражением (12.2). Поле реакции якоря с потоком полюса Фа,

пропорциональным току статора 1, индуцирует в фазе обмотки статора

синусоидальную э. д. с. eа, которую в комплексной форме можно записать так:

Ёа = -jХа*I, (12.7)

где Ха—индуктивное сопротивление от поля реакции якоря.

Так как ось вращающегося поля реакции якоря совпадает с осью фазной обмотки

статора, когда ток в ней имеет максимум, в этот момент и потокосцепление Ψa

также достигает максимального значения. Следоват

ельно, для данной фазной обмотки

поток полюса Фа совпадает по фазе с током статора 1, а э. д. с. Еа отстает от него

на 90°.

Переменное поле рассеяния, пропорциональное току статора 1, в основном

замыкается по воздуху. Его потокосцепление рассеяния Ψрас, совпадающее по фазе с

током 1,

как и в асинхронной машине индуцирует в обмотке статора э. д. с. рассеяния,

отстающую от него по фазе на 90°:

Ерас = -jХрас*I, (12.8)

где Храс — постоянное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора (ее

индуктивность рассеяния Lрас=cоnst). В синхронных машинах это сопротивление

является очень важным параметром, поскольку значительно ограничивает аварийные

токи КЗ.

Для фазной обмотки статора синхронного генератора с активным

сопротивлением R

уравнение второго закона Кирхгофа в комплексной форме запишется

так: U +R*I= Е0 + Еа + Ерас. Отсюда комплексное напряжение на фазе генератора

U=Ёо+Ёа+Ёрас-R*I, (12.9)

где вектор R*I — падение напряжения на активном сопротивлении обмотки статора.

Векторная диаграмма генератора, соответствующая этому равенству для

практически всегда имеющей место активно-индуктивной на

грузки, изображена на рис.

12.5, а. За ее основу взят вектор э. д. С. Ео

Если в равенстве (12.9) э.. д. С. Еа и Ерас выразить через ток, то получим

или окончательно

U=E0-jX*I-R*I, (12.10)

286

где Х = Ха + Храс---синхронное индуктивное сопротивление. По значению оно в 10—

15 раз больше Храс и для машины с ненасыщенной магнитной цепью является

постоянной величиной. С насыщением Х несколько уменьшается из-за уменьшения Ха.

Активное сопротивление обмотки статора R в сравнении с ее индуктивным

сопротивлением Х незначительно и потому падением напряжения R*I практически

можно пренебречь (при номинальной нагрузке генератора не превышает 1—3 %

номинального U

ном). Тогда

Этому уравнению соответствуют схема замещения и упрощенная векторная

диаграмма синхронного генератора на рис. 12.5 6 и в. В основу диаграммы положена

э. д. с. генератора Е0. Для активно-индуктивной нагрузки вектор тока 1 отстает по

фазе от э. д. с. Е0

на угол

arctg

, где R и Х—внутренние активное и индуктивное сопротивления

генератора, которые указываются в каталогах; Rн, Хн--- активное и индуктивное

сопротивления нагрузки. Для построения вектора напряжения U из конца вектора

э. д. с. E0 перпендикулярно к вектору I откладывается вектор падения напряжения в

статоре jХI. Вектор U соединяет точку 0 с началом вектора jXI.

12.6. Характеристики синхронного генератора

287

при работе на автономную нагрузку

Основные эксплуатационные свойства синхронного генератора определяются

его характеристиками: внешними и регулировочными.

Характеристикой ХХ (рис. 12.6, а) называется зависимость э. д. с. генератора

от тока возбуждения E0(Iв) при I=0, n=nном. Как следует из (12.11), для ХХ (1

= 0)

э. д. с. Е0=U и может быть измерена на фазе генератора вольтметром.

Характеристика Е0 (Iв) имеет вид кривой намагничивания магнитопровода

машины, так как при ХХ реакция якоря отсутствует (Фа=0) и э. д. с. генератора

индуцируется только магнитным полем ротора с полем полюса Ф0, который до

насыщения магнитопровода пропорционален току возбуждения (Ф0

Iв). Современные

синхронные гене-

раторы конструируются так, что имеют такую характеристику ХХ (см. рис. 12.6, а),

чтобы точка номинального режима (Uном,Iв.ном)располагалась на верхней границе ее

линейного участка. Это позволяет при нормальной нагрузке рационально использовать

магнитопровод машины и плавно регулировать э. д. с в практически необходимых

пределах.

Внешняя характеристика синхронного генератора (рис. 12.6,б)---

это зависимость

напряжения на его фазе от тока в нагрузке: U(I) при n=nном,Iв=Iв.ном и соsΨ = соnst.

Напряжение на фазе генератора с изменением тока в нагрузке изменяется по-

разному в

зависимости от характера нагрузки из-за реакции якоря.

Из характеристик на рис. 12.6,б следует, что падение напряжения при чисто

активной нагрузке с незначительным продольно-

размагничивающим действием реакции

якоря значительно меньше, чем при активно-индуктивной. При активно-емкостной

нагрузке, наоборот, с увеличением нагрузки напряжение повышается из-за

намагничивающего действия продольной составляющей потока статора.

288

При эксплуатации генератора обычно требуется неизменное напряжение на его

фазе при разных токах в нагрузке. Стабилизация напряжения достигается

регулированием тока возбуждения. для описания регулировочных свойств вводитс

я так

называемая регулировочная характеристика генератора (рис. 12. 6,в)--- зависимость

тока возбуждения от тока в нагрузке при неизменных напряжении U, частоте

вращения n и угле сдвига фаз

, т. е. при п=nном ,U=Uном,cos

= соnst.

Как в внешние, регулировочные характеристики (см. рис. 12.6,в) зависят от

характера нагрузки из-

за реакции якоря: при увеличении активной, а тем более активно

индуктивной, нагрузки для поддержания постоянного напряжения необходимо

увеличивать ток возбуждения, а при увеличении активно-емкостной уменьшать.

12.7. Понятие об автоматическом регулировании

напряжения

Напряжение на фазе автономно работающего генератора U=E0-jXI ,

зависит от

тока в нагрузке. С повышением тока в нагрузке до номинального из-за большого

Индуктивного сопротивления обмотки

статора напряжение на фазе ге

нератора снижается, что отрицательно сказывается

на работе приемников, например асинхронных двигателей, светильников.

Качество электроэнергии определяется постоянством действующего значения и

частоты напряжения сети. В современных генераторах они регулируются

автоматически и должны поддерживаться на уровне, близком к номинальному. Для

стабилизации напряжения генератора необходимо регулировать ток возбуждения, что

осуществляется разными способами.

Компаундирование. В целях автоматического регулирования напряжения

синхронных генераторов с машинным возбуждением мощностью 3000 кВт и выше

наиболее часто используются одно- и трехфазные компаундирующие устройства.

При однофазной схеме компаундирования (рис. 12.7) обмотка возбуждения

возбудителя получает дополнительную энергию от обмотки статора синхронного

генератора через трансформатор тока ТА,

понижающий трансформатор напряжения

289

ТУ и полупроводниковый выпрямитель VD. С увеличением активно-индуктивного

тока I в обмотке статора напряжение на фазе генератора U снижается.

Соответственно увеличивается ток I2 во вторичной обмотке ТА и ток I1 в первичной

обмотке ТV. Это приводит к увеличению тока выпрямителя Iк и тока в обмотке

возбуждения возбудителя Iв.в = Iш + Iк, а следовательно, и тока в обмотке ротора Iв.

Э. д. с. генератора Е0 возрастает и напряжение на его фазе увеличивается до исходного

номинального значения. Наоборот, снижение тока 1 вызывает некоторое повышение

напряжения на фазе, уменьшение тока I2 во вторичной обмотке ТА, выпрямленного

тока Iк

и, в конечном итоге, уменьшение э. д. с. генератора и снижение его напряжения

до исходного номинального.

Шунтирующий первичную обмотку ТУ установочный реостат R

уст служит для

регулирования цепи компаундирования, чтобы она автоматическая обеспечивала

устойчивое номинальное напряжение Uном генератора при изменении нагрузки в

пределах от ХХ до номинальной. Поскольку устройство компаундирования при

переменном угле сдвига фаз

нагрузки не обеспечивает полную стабильность

напряжения генератора, оно обычно дополняется специальным корректором

напряжения.

Более мощные генераторы имеют трехфазную схему компаундирования:

подпитка обмотки возбуждения осуществляется от трехфазного полупроводникового

выпрямителя, который соединен с обмотками статора генератора через три

однофазных трансформатора тока и понижающий трехфазный трансформатор

напряжения. Трехфазный

установочный реостат Rуст включается параллельно первичной обмотке

трансформатора напряжения.

Угольный регулятор напряжения. Для регулирования напряжения синхронных

генераторов небольших мощностей часто применяются угольные регуляторы

напряжения, основным элементом которых является угольный столбик, набранный из

тонких угольных шайб, сопротивление которого зависит от степени его сжатия.

12.8. Потери и к.п.д. синхронного генератора

В синхронном генераторе преобразование механической энергии в электрическую

сопровождается потерями энергии (рис. 12.8,а): Рт— механическими на трение в

подшипниках, вентиляцию и трение щеток о контактные кольца; Pв=Uв*Iв--- на

возбуждение; Рс---

магнитными в сердечнике статора на перемагничивание и вихревые

токи (ротор перемагничиванию не подвергается); Pоб=3R*

---электрическими в

обмотках статора; Рд---незначительными добавочными, которые вызываются

пульсациями магнитного поля из-за зубцов сердечника статора, а также полями

рассеяния статора.

Потери механические, возбужден

ия и в стали статора постоянны (не зависят от

нагрузки) и составляют потери ХХ генератора. Сумма всех потерь в генераторе

∆Р=Pт+Pв+Pс+Pоб+Pд. (12.12)

К. п. д. синхронного генератора

η= Р/Р1 = Р/(Р + ΔР), (12.13)

290

где

3**cos

PUлIл

--- полезная электрическая мощность генератора (отдаваемая в

сеть);

cos

---коэффициент мощности нагрузки.

Из формулы (12.13) и рис. 12.8,6 следует, что к.п.д. синхронноё генератора

зависит не только от мощности нагрузка, но и от ее коэффициента мощности.

Современные синхронные генераторы неболь-

шой и средней мощностей имеют к. п. д., равный 85—90 %; больших мощностей---

до 99

%. Поскольку потери энергии вызывают нагрев машины, для охлаждения ее во время

работы применяется вентиляция: искусственная--- на валу ротора устанавливается

вентилятор, прогоняющий воздух через машину (самовентиляция); замкнутая

(в мощных

генераторах), когда воздух непрерывно принудительно циркулирует через машину и

воздухоохладитель; принудительная (в генераторах мощностью свыше 25 тыс, кВ*А)

---

водородное (или водяное) охлаждение, так как водород и вода имеют значительно

большие, чем воздух теплоемкость, теплопроводность и коэффициент теплоотдачи.

Номинальной паспортной мощностью синхронного генератора называется его

полная мощность

Активная (полезная) мощность генератора

где Uном, Iном—

номинальные линейные напряжение и ток. Номинальный коэффициент

мощности соs

ном

, для большинства отечественных генераторов принимается равным

0,8 (отстающий), для мощных — 0,85 — 0,9. Выводы обмоток статора генератора на

щитке обозначаются так: начала С1,С2,С3; концы С4, С5, С6. Обмотка статора

обычно соединяется звездой.

12.9. Электромагнитная мощность синхронного

генератора

291

Электромагнитная мощность Рэм представляет собой часть мощности

первичного двигателя Р1, которая передается на статор синхронного генератора

электромагнитным путем в результате взаимодействия потоков полюсов ротора с

токами в обмотке статора и преобразуется в электрическую мощность. Она меньше

механической мощности первичного двигателя на значение потерь, составляющих

несколько процентов (см. рис. 12.8,а): механических, на возбуждение (если возбудитель

установлен на валу генератора) и в сердечнике статора, т. е.

Рэм=Р1— (Рт + Рв + Рс). (12.16)

Из векторной диаграммы на рис. 12.5, а для фазы статора генератора следует,

что

Умножив левую и правую части этого равенства на ток статора I и число фаз,

получим, что электромагнитная мощность генератора