4. Як залежить характер реакції якоря від характеру навантаження?

5. Які основні й допоміжні характеристики має синхронний генератор?

6. Якими причинами зумовлюється вигляд зовнішніх характеристик синхронного генератора при різному характері навантаження?

Лабораторна робота 9

Дослідження характеристик синхронного

генератора при паралельній роботі з мережею

Мета роботи

Метою роботи є практичне ознайомлення з методами синхронізації й перерозподілу активної й реактивної потужностей між паралельно працюючими джерелами електроенергії.

Теоретичні положення

Паралельною роботою синхронних генераторів називають їхню спільну роботу на загальну електромережу.

Для увімкнення генератора на паралельну роботу необхідно виконати наступні умови (умови синхронізації):

1) напруга увімкненого генератора повинна дорівнювати напрузі мережі або напрузі вже підключених до мережі генераторів;

2) частота напруги генератора f_г повинна дорівнювати частоті напруги мережі f_м ;

3) чергування фаз генератора й мережі повинно бути однаковим;

4) напруга генератора повинна бути у фазі з напругою мережі ( = ).

При дотриманні перелічених умов умикання генератора до мережі проходить без стрибка струму.

Перед вмиканням генератора до мережі потрібно виконати ряд операцій, за рахунок яких будуть виконані перелічені умови. Сукупність цих операцій називають синхронізацією генератора. Контроль за точністю синхронізації генератора здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв, які називають синхроноскопами.

Найпростіший синхроноскоп складається з ламп розжарення, з’єднаних за спеціальною схемою. Розрізняють синхронізацію за погасанням ламп (рис. 9.1, а) і синхронізацію по обертанню світла (рис. 9.1, б).

Р ис. 9.1. Схеми синхронізації генератора

За схемою (рис. 9.1, а) вимикач Q вмикають у момент згасання всіх ламп, так як у цьому випадку виконуються умови синхронізації. Частота згасання ламп дорівнює різниці частот f_г і f_м .

За точністю синхронізації кращою є схема, показана на рис. 9.1, б. За цією схемою одна лампа включається між однойменними фазами мережі й генератора, а дві інші – між різними фазами генератора й мережі. При розбіжності частот f_г і f_м лампи почергово засвічуються й згасають. Тому створюється відчуття обертання світла. Частота обертання світла дорівнює різниці частот f_м – f_г , а напрямок обертання залежить від знаку різниці частот напруги генератора й мережі. Вимикач Q включають у момент, коли частота обертання світла мінімальна (період – приблизно три секунди).

Якщо в синхроноскопі за схемою (рис. 9.1, а) виникає обертання світла, а за схемою (рис. 9.1, б) – загальне затухання, то це свідчить про неспівпадання чергування фаз мережі і генератора.

Існують також і стрілочні синхроноскопи, у яких стрілка при різниці частот f_м і f_г обертається у тому чи іншому напрямку в залежності від того, яка з частот більша.

На повітряних суднах синхронізація здійснюється автоматично.

недотримання першої умови синхронізації (при U_м > E_г) призводить до того, що у контурі “мережа-генератор” з’являється різниця напруг.

Відносно цієї різниці мережа й генератор опиняються в режимі короткого замикання. Тому в контурі “генератор-мережа” протікає струм.

Якщо потужність мережі набагато більша ніж потужність генератора, то опір контуру “генератор-мережа” практично визначається тільки поздовжнім синхронним опором генератора х_d .

струм, який виникає під дією різниці напруг, протікає через обмотку якоря генератора, який тільки вмикається, і обмотки генераторів, що вже живлять мережу, у протилежних напрямках. Тому для мережі він буде відстаючим, а для генератора – випереджаючим (рис. 9.2, а).

Р ис. 9.2. Виникнення врівноважувального струму:

а – за умови нерівності напруг;

б – за умови нерівності частот

Випереджаючий струм створює в генераторі підмагнічуючу реакцію якоря, завдяки чому напруга генератора збільшується й зрівнюється з напругою мережі. У даному випадку генератор споживає з мережі реактивну потужність.

Якщо збільшити струм збудження генератора до такого значення, що ЕРС генератора стане більше напруги мережі, то різниця змінить свій напрямок і в контурі “генератор-мережа” буде протікати струм, який відстає за фазою від напруги генератора і випереджає напругу мережі. Тепер генератор буде віддавати в мережу реактивну потужність Q = –I_гE_г .

Отже реактивну потужність між генератором і мережею можна перерозподілити, змінюючи збудження генератора.

У випадку, коли не виконана друга умова, різниця напруг періодично змінюється за значенням і напрямком із частотою f_м – f_г . Тому в контурі “генератор-мережа” буде протікати струм, що має значні активні складові різного знаку по відношенню до генератора й мережі (рис. 9.2, б).

Активні потужності генератора й мережі (рис. 9.2, б) дорівнюють:

P_г = E_гI_г cos_г < 0; P_м = U_мI_м cos_м > 0 . (9.1)

З формули (9.1) випливає, що при нерівності частот напруги генератора й мережі знак активної потужності генератора періодично змінюється, а значить змінюється і напрямок електромагнітного моменту. Тому в системі виникають коливання ротора відносно положення, при якому ЕРС генератора й напруга мережі знаходяться у фазі. Ці коливання затухають через наявність активного опору якоря генератора.

При неправильному чергуванні фаз картина аналогічна попередній, але на валі генератора виникають незатухаючі коливання моменту з великою амплітудою, які можуть зруйнувати його. Тому паралельна робота генератора з мережею при неправильному чергуванні фаз неприпустима.

При паралельній роботі генератора з мережею або з іншими генераторами важливою є задача розподілу активної й реактивної потужностей поміж генераторами або генератором і мережею.

Нехтуючи втратами потужності в обмотках якоря генератора, для його активної потужності можна записати

P = mUI_гcos_г ,

де m – число фаз якоря генератора; U – напруга генератора, яка при його паралельному підключенні дорівнює напрузі мережі; I_г – струм фази якоря генератора; cos_г – коефіцієнт потужності генератора.

При паралельній роботі з мережею можна вплинути лише на два параметри, від яких залежить робота генератора: на механічний момент, що прикладається до валу генератора з боку привода, і на струм збудження генератора.

Але при будь-якому впливові у сталому режимі роботи гальмівний електромагнітний момент генератора М_ем повинен урівноважувати механічний момент М_мх , прикладений до валу:

,

де  - кутова частота обертання ротора.

З векторної діаграми (рис. 9.3) випливає:

(9.2)

З тієї ж діаграми маємо:

; . (9.3)

Підставляючи (9.3) у (9.2), остаточно отримаємо формулу для моменту

, (9.4)

де  – кут вибігу ротора (рис. 9.3).

Ф ормула (9.4) описує кутову характеристику явно полюсної синхронної машини при паралельній роботі з мережею (рис. 9.4).

Таким чином електромагнітний момент має дві складові:

і .

Причому, перша (головна) складова М₁ залежить від струму збудження, оскільки Е₀ = f (І_зб), а друга (реактивний момент) М_р залежить тільки від конструктивного виконання машини.

У неявно полюсній машині опір x_d = x_q , тому реактивна складова її моменту дорівнює нулю.

Назва складової М_р не зв’язана з генеруванням реактивної потужності, а відображає лише той факт, що в явно полюсній машині провідність потоку реакції якоря по поздовжній осі і поперечній неоднакова, що і викликає появу реактивного моменту.

Наявність реактивного моменту в явно полюсній машині вказує на її здатність генерувати деяку активну потужність навіть при відсутності обмотки збудження. Такі машини називають реактивними.

Коли до валу генератора прикладений механічний момент М_мх і генератор збуджується струмом І_зб1 , тоді при паралельній роботі з мережею генератор буде мати кут вибігу ₁ , який визначається положенням точки а кутової характеристики, оскільки у цій точці М_мх = М_ем (рис. 9.4). Генератор при цьому буде віддавати у мережу активну потужність

.

Якщо тепер, не змінюючи механічного моменту, збільшити струм збудження до значення І_зб2, то гальмівний момент на валі генератора зростає на значення М_ем (рис. 9.4). Ротор при цьому буде гальмуватися до тих пір, доки не наступить рівність М_ем = М_мех (точка а , рис. 9.4), і генератор почне працювати з новим кутом вибігу ₂ . Активна потужність, яка віддається генератором у мережу, при цьому не зміниться.

Таким чином, змінюючи струм збудження генератора при сталості механічного моменту, неможливо змінити активну потужність машини. У цьому випадку змінюється лише кут вибігу ротора.

При даному струмі збудження генератор можна завантажити максимальною активною потужністю до значення, відповідного точкам максимумів с або с кутової характеристики (рис. 9.4). Відповідно, струм збудження, не впливаючи на актив-ну потужність генератора, визначає його здатність до перевантаження.

Кількісно здатність генератора утримуватися в синхро-нізмі оцінюється синхронізуючою потужністю або синхронізуючим моментом, які зростають із збільшенням струму збудження і визначаються як похідні за кутом вибігу від математичних виразів відповідних кутових характеристик.

У випадку, коли механічний момент сталий, а змінюється лише струм збудження, активна потужність теж стала, що при нехтуванні реактивним моментом дозволяє записати

. (9.5)

О скільки U = const , то з формули (9.5) виходить, що I_г cos _г = const; E₀ = sin = const, тобто при зміні струму збудження кінець вектора струму буде ковзати по прямій cc, а вектори ЕРС – по прямій аа (рис. 9.5).

На рис. 9.5 видно, що значення і фаза струму якоря I_г залежать від струму збудження, хоча активна складова струму якоря постійна і дорівнює його проекції на напрямок вектора напруги мережі I_г cos _, причому при перезбудженні (E₀₁>U_м) генератор працює зі струмом , який відстає від ЕРС (_г > 0), а при недостатньому збудженні (E₀₂ < U_м) – який випереджає ЕРС генератора (_г < 0).

З цього виходить, що реактивна потужність генератора залежить від струму збудження.

М інімальне допустиме значення струму збудження визначається механічною потужністю на валі, збільшуючись із збільшенням останньої, оскільки послаблення збудження зменшує запас стійкості паралельної роботи і може призвести до випадання генератора із синхронізму.

Залежність струму якоря від струму збудження при сталості механічної потужності і синхронному обертанні генератора називається U-подібною характеристикою, різновиди якої показані на рис. 9.6.

Нижня крива при Р = 0 (рис. 9.6) відповідає роботі машини у режимі синхронного компенсатора. Синхронний компенсатор – це синхронний двигун, який працює у режимі холостого ходу, споживаючи при цьому від мережі дуже малу активну потужність, необхідну для покриття втрат у міді й сталі і для створення обертаючого моменту, який утримує машину в синхронізмі. Змінюючи струм збудження компенсатора, регулюють реактивну потужність, яка віддається ним у мережу.

На повітряних суднах розподіл активної потужності між генераторами здійснюється автоматично дією на привід постійної частоти, що змінює механічний момент, прикладений до вала. Розподіл реактивної потужності здійснюється відповідною автоматичною зміною струму збудження генераторів.