59) Синхронные генераторы. Нагрузочная и регулировочная характеристики

Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более. На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц. Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе. В качестве примера приведем параметры синхронного генератора, работающего на Днепровской ГЭС. Водяной поток вращает ротор генератора с частотой n = 33,3 об / мин. Задавшись частотой f = 50 Гц, определим число пар полюсов на роторе:

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, кото-рое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

Пуск двигателя осуществляется следующим образом. Подают питание на обмотку возбуждения включением выключателя ВК2 и с помощью реостата R_ВМПТустанавливают максимальный ток возбуждения, измеряемый амперметром А₁. С помощью контактора П₂/С₂подают питание на обмотку якоря, предварительно установив выключатель ВК4 в положение «Д». Частоту вращения двигателя регулируют изменением тока возбуждения.

1. Характеристика холостого ходапредставляет зависимость напряжения (ЭДС) обмотки якоря от тока возбуждения при холостом ходе и номинальной (синхронной) частоте вращения:U₁=f(I₂) илиE₁₀=f(I₂) приI₁=0,n=n_H(при холостом ходеU₁=E₁₀).

Согласно ГОСТ 10169-68 характеристику холостого хода снимают при убывающем токе возбуждения I₂, причем изменение тока возбуждения производят плавно и только в одном направлении. Синхронный генератор приводят во вращение первичным двигателем с номинальной (синхронной) частотой вращения.

При разомкнутой внешней цепи нагрузки (выключатели ВК6 и ВК11 разомкнуты, (рис. 6.2) возбуждают генератор до значения, при котором Е₁₀=(1,21,3)U_1н. Затем, плавно уменьшая ток возбуждения до нуля, записывают 5-7 значений Е₁₀ и I₂ в таблицу 6.1. По данным таблицы строят характеристику, как показано на рис. 6.3 пунктирной кривой 1.

ЭДС Е₁₀ при I₂=0, наведенную остаточным магнитным потоком, измеряют вольтметром V₄ с пределами измерения 0-30 В. Опытную характеристику смещают параллельно самой себе по оси абсцисс вправо на величину I₂, получаемую графической экстраполяцией опытной характеристики до пересечения ее осью абсцисс, как показано на рис. 6.3 (кривая 2).

2. Индукционная нагрузочная характеристика представляет зависимость напряжения на зажимах машины U₁ от тока I₂ возбуждения при постоянных значениях тока I₁ нагрузки, коэффициента мощности cos₁=0 и частоте вращения n: U₁=f(I₂) при I₁=const, cos₁=0, n=n_н. Эта характеристика не связана с каким-либо эксплуатационным режимом работы синхронного генератора. Она используется для определения расчетного индуктивного сопротивления Потье х_р, близкого по своему значения к индуктивному сопротивлению рассеяния х_1.

Порядок проведения опыта следующий: синхронный генератор вращают приводным двигателем с номинальной частотой вращения. Включают якорь на индуктивную нагрузку; изменяя сопротивление х_нагр и регулируя ток I₂ возбуждения генератора, устанавливают номинальный ток якоря I₁=I_1н при напряжении U₁=(11,1)U_1н. Затем, уменьшая напряжение U₁ снижением тока возбуждения, поддерживают неизменным ток нагрузки I_1н путем регулирования х_нагр. В табл. 6.2 записывают значения напряжений на обмотке статора генератора и тока возбуждения для 4-5 точек характеристики, которую строят в одних и тех же осях координат с характеристикой холостого хода, как показано на рис. 6.3 кривой 3.

3. Внешние характеристики представляют зависимость напряжения U₁ от тока I₁ якоря генератора при постоянных значениях тока возбуждения, коэффициента мощности cos₁ и частоте вращения n: U=f(I₁) при I₂=const, cos₁=const, n=n_н. Характеристики снимают для режимов работы генераторов при активной нагрузке (cos₁=1) и смешанной активно-индуктивной нагрузке (cos₁=0,707). При активной нагрузке генератор включают на активное регулируемое сопротивление R₁, R₂, R₃.

При смешанной активно-индуктивной нагрузке генератор включают на параллельное соединенные активное R₁, R₂, R₃ и индуктивное х_нагр сопротивления. Регулируя величины R₁, R₂, R₃ и х_нагр, поддерживают во время опытов равенство токов в активном и индуктивном сопротивлениях (I_1a=I_1p). В этом случае угол ₁ между результирующим током I₁ якоря и напряжением U₁ остается постоянным и равным 45, что соответствует cos₁=0,707. В табл. 6.3 записывают значения только результирующего тока I₁ и напряжения U₁.

Для каждого режима нагрузки снимают по две характеристики:

а) при увеличении тока нагрузки от нуля до минимального;

б) при уменьшении (сбросе) нагрузки от номинальной до нуля.

Внешнюю характеристику при увеличении тока нагрузки снимают следующим образом. Генератор приводят во вращение с номинальной частотой вращения приводным двигателем. Первую точку характеристики снимают при отключенной нагрузке (выключатель ВК1 разомкнут, I₁=0). Регулируя ток возбуждения I₂, устанавливают напряжение якоря равным номинальному. Эта точка U₁=U_н при I₁=0 будет первой точкой характеристики при увеличении нагрузки. Затем включают нагрузку и при том же токе возбуждения I₂ снимают еще 3-4 точки, увеличивая ток якоря I₁ до номинального при постоянном cos₁. Данные записывают в табл. 6.3.

Для снятия первой точки внешней характеристики при уменьшении (сбросе) нагрузки регулируют ток возбуждения I₂ и сопротивления нагрузки таким образом, чтобы при номинальном токе якоря (I₁=I_1н) и заданном cos₁ напряжение генератора было бы равно номинальному. Эта точка U₁=U_1н при I₁=I_1н будет первой точкой характеристики при уменьшении (сбросе) нагрузки. Затем при том же токе возбуждения снимают еще 3-4 точки характеристики, уменьшая ток якоря I₁ до нуля. Последняя точка (I₁=0) снимается при разомкнутом выключателях ВК6÷ВК11. Для каждой характеристики следует записать значение тока I₂ возбуждения, при котором проводился опыт. Вид характеристики показан на рис. 6.4.

Изменение напряжения в процентах при уменьшении (сбросе) тока нагрузки от номинального до нуля определяется по формуле

,

где U₁₀ – напряжение генератора при I₁=0 (по внешней характеристике);

U_1н – номинальное напряжение.

4. Регулировочные характеристики представляют зависимость тока I₂ возбуждения от тока I₁ якоря при постоянных значениях U₁, cos₁ и скорости вращения n: I₂=f(I₁) при U₁=const, cos₁=const, n=n_н. Эти характеристики показывают, как нужно регулировать ток возбуждения генератора при изменении нагрузки, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным.

В работе требуется снять регулировочные характеристики при U₁=U_1н для режима работы генератора на активную нагрузку (cos₁=1) и на смешанную активно-индуктивную нагрузку (cos₁=0,707).

Для каждой характеристики требуется снять 4-5 точек, причем обязательным является снятие первой точки I₁=0 (выключатель ВК1 разомкнут) и последней точки I₁=I_1н.

Следует отметить, что при снятии регулировочных характеристик надо регулировать ток возбужденияI₂ так, чтобы напряжение оставалось постоянным, равным номинальному U₁=U_1н. Данные опыта записывают в табл. 6.4. Вид регулировочных характеристик показан на рис. 6.5.

За номинальный ток возбуждения I_2н принимают ток, при котором напряжение на генераторе равно номинальному U₁=U_1н при I₁=I_1н и cos₁= cos_1н (условно считаем номинальным cos_1н=0,707). I_2н можно определить по регулировочной характеристике при I₁=I_1н, снятой при cos_1н=0,707. В относительных единицах этот ток равен

(о.е.).