ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИФАЗНОЇ АСИНХРОННОЇ

МАШИНИ В ГЕНЕРАТОРНОМУ РЕЖИМІ

1. МЕТА РОБОТИ

Дослідити особливості роботи асинхронної машини в генераторному режимі як при роботі її паралельно з мережею, так і в автономному режимі при самозбудженні від конденсаторних батарей.

Вивчити вплив характеру навантаження на вибір електричної ємності для автономного асинхронного генератора.

Визначити можливі області застосування в народному господарстві України асинхронних генераторів, а також виявити перспективні шляхи розвитку асинхронних генераторів великої потужності.

2. Те0ретична частина

2.1. Вступ

Асинхронна машина (АМ), як і інші електричні машини, є зворотною, тобто може працювати як в режимі двигуна, так і в режимі генератора.

Використання АМ у ролі генератора електричної енергії викликає суперечливі думки. З одної сторони асинхронний генератор (АГ) із короткозамкненим ротором має переваги над синхронним генератором:

• простішу конструкцію машини;

• підвищену стійкість у роботі і збільшену перевантажувальну здатність;

• простіше вмикання на паралельну роботу з мережею;

• простіше обслуговування і більша надійність в експлуатації.

Завдяки перерахованим перевагам АГ знаходять поки що певне використання як автономні джерела енергії на гідроелектростанціях, дизельелектричних станціях і у вітросилових установках.

З іншого боку АГ має такий істотний недолік, як необхідність в установленні додаткового джерела реактивної потужності значної величини для збудження машини. Оскільки намагнічувальний струм асинхронної машини складає 25 ÷ 45 % від номінального значення струму, то і потужність, яка потрібна для збудження АГ, складає не менше 25 ÷ 45 % від номінальної потужності машини. У той же час на збудження синхронного генератора витрачається потужність близько 1 ÷ 2 % від номінальної. Цей недолік обмежує широке застосування АГ, тому з метою його подолання в останні роки проводяться інтенсивні роботи по створенню асинхронних турбогенераторів з роторним збудженням на базі регульованих тиристорних перетворювачів частоти. В цьому випадку споживана потужність на збудження стає співмірною із потужністю на збудження синхронного генератора.

2.2. Робота асинхронного генератора паралельно з мережею

Робота АМ в генераторному режимі паралельно з мережею можлива за умови, що частота обертання ротора n є більшою ніж частота обертання магнітного поля n₁ , створеного трифазною обмоткою статора, тобто n >n₁ .

У генераторному режимі, коли ковзання s < 0 , магнітне поле обертається відносно ротора в зворотний бік ніж у режимі двигуна, внаслідок чого змінюються знаки електрорушійної сили (ЕРС) і активної складової струму в роторі , а також електромагнітного| момента М , який тепер стає гальмівним.

У заступній схемі , поданій на рис. 1 , прийняті наступні позначення: - фазна напруга статора; - фазний струм в обмотці статора і зведений фазний струм в обмотці ротора; - активні опори фази обмотки статора і фази зведеної обмотки ротора; - індуктивні опори розсіяння фази обмотки статора і фази зведеної обмотки ротора; - струм неробочого ходу; - активний і індуктивний опори гілки намагнічування; s - ковзання двигуна.

Рис. 1. Заступна схема асинхронного генератора

при роботі паралельно з мережею

Рис. 2. Механічна характеристика асинхронної машини

Зведений струм в обмотці ротора має активну і реактивну складові:

При від’ємному ковзанні (s < 0) активна складова струму змінює свій знак з позитивного на негативний, що свідчить про зміну напряму потоку активної потужності, тобто підведена з боку вала механічна потужність перетворюється в активну електричну потужність і за вирахуванням втрат віддається у мережу. Реактивна складова струму при роботі машини в генераторному режимі зберігає свій знак. Отже, в генераторному режимі асинхронна машина продовжує споживати з мережі необхідну для намагнічування реактивну потужність, як і в режимі двигуна.

Зміна напряму активної потужності AM призводить до зміни знаку момента машини. Відповідно при роботі машини в генераторному режимі (s < 0), її електромагнітний момент стає гальмівним і механічна характеристика M=f(s) , як подано на рис. 2 , переходить із першого в третій квадрант.

Для побудови векторних діаграм АМ у режимах генератора і двигуна будемо виходити з наступних відомих рівнянь для напруг і струмів:

де

На рис. 3 наведені векторні діаграми AM для режимів двигуна (рис. 3а) і генератора (рис. 3б).

Рис. 3. Векторні діаграми AM для режимів:

а - двигуна; б –генератора

Внаслідок повороту в генераторному режимі активної складової струму на 180° повертається також струм , що і показано на рис. 3б . Тоді кут φ₁ між струмом і напругою стає більшим від 90°. Це означає, що активна складова потужності P₂ = mU₁I₁cosφ₁ <0 змінила свій знак, тобто в машині відбувається перетворення механічної енергії, яка поступає з боку вала, в електричну, яка віддається в мережу.

Під час переходу із режиму двигуна в генераторний режим реактивна складова потужності Q₂ = mU₁I₁sinφ₁ не змінює свого знаку, оскільки sinφ₁ > 0 . Це означає, що АМ , яка працює в генераторному режимі, продовжує споживати із мережі реактивну потужність, необхідну для створення в машині магнітного потоку. Таким чином, АГ можуть працювати лише з мережею, в якій є джерела реактивної потужності (синхронні двигуни, конденсатори і ін.), що є їх істотним недоліком.

При роботі АМ у генераторному режимі втрати в машині покриваються за рахунок механічної потужності, яка підводиться зі сторони рушія, а реактивна потужність надходить із мережі. На рис. 4а подана енергетична діаграма активної потужності, а на рис. 4б - реактивної потужності.

Рис. 4. Енергетична діаграма синхронного генератора:

а - активної потужності; б - реактивної потужності

На рис. 4 прийняті такі позначення: Р₁ - механічна потужність, яка поступає на вал АГ; Р_ем - електромагнітна потужність; Р_д - додаткові втрати; Р_мх - механічні втрати; Р_м - корисна механічна потужність; Р_ел2 - електричні втрати в обмотці ротора; Р_с1 - магнітні втрати в сталі статора; Р_ел1 - електричні втрати в обмотці статора; Р₂ - електрична потужність, яка віддається в мережу; Q₁ - реактивна потужність, яка споживається з мережі; Q_р1 і Q_р2 - реактивні потужності обмоток статора і ротора, які споживаються на створення магнітних полів розсіяння; Q_м - реактивна потужність, яка витрачається на створення основного магнітного поля.