Тема 3.2. Синхронные генераторы

3.2.1. Реакция якоря синхронного генератора

В процессе работы нагруженного синхронного генератора (СГ) в нём одновременно действуют две магнитодвижущих силы (МДС): МДС возбуждения и МДС статора (якоря). При этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Реакция якоря – это воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения. При этом изменяется результирующий магнитный поток генератора и, следовательно, его ЭДС. Эти изменения зависят от значения и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины

Как правило, синхронные генераторы работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-ёмкостную). Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронного генератора целесообразно рассмотреть случаи его работы при активной, индуктивной и ёмкостной нагрузках (рис. 36).

При чисто активной нагрузке (ѱ = 0, где ѱ - угол сдвига фаз между током и ЭДС генератора) возникает искажение результирующего магнитного поля генератора, оно ослабляется, и магнитная система несколько размагничивается. Это приводит к уменьшению ЭДС генератора.

Рис. 36. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а), индуктивной (б) и ёмкостной (в) нагрузках.

При чисто индуктивной нагрузке (ѱ = 90˚) ток статора генератора отстаёт по фазе от ЭДС на 90˚, его результирующее магнитное поле ослабляется, но не искажается. Это ведёт к уменьшению ЭДС генератора.

При чисто ёмкостной нагрузке (ѱ = -90˚) ток статора генератора опережает по фазе ЭДС на 90˚, его результирующее магнитное поле возрастает, не искажается и приводит к увеличению ЭДС.

При активно-индуктивной нагрузке (0 ˂ ѱ ˂ 90˚) магнитная система генератора размагничивается.

При активно-ёмкостной нагрузке (0 ˂ ѱ ˂ -90˚) магнитная система генератора подмагничивается.

3.2.2. Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода (х. х.), короткого замыкания (к. з.), внешними и регулировочными (рис. 36).

1). Характеристика холостого хода – представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х. х. U1 = E0 от тока возбуждения Iв0 при n1 = const, т. е. U0(E0) = f(Iв0); n1 = const. Если характеристики х. х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах U*(E*) = f(Iв*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х. х., которую используют при расчётах синхронных машин:

E* - 0,58; 1,0; 1,21; 1,33; 1,40; 1,46; 1,51.

Iв* - 0,5; 1,5; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5.

Здесь E* = E0/ U1ном - относительная ЭДС фазы обмотки статора; Iв* = Iв0/ Iв0ном – относительный ток возбуждения; Iв0ном – ток возбуждения в режиме х. х., соответствующий ЭДС х. х. E0 = U1ном.

2). Характеристика короткого замыкания (рис. 37) - представляет собой график зависимости тока генератора в режиме к. з. I1к от тока возбуждения в режиме к. з. Iв.к. при n1 = const, т. е. I1к = f(Iв.к.); n1 = const. При этом ток I1к повышают до значения не более 1,25I1ном, где I1ном – номинальный рабочий ток генератора. Характеристики х. х. и к. з. дают возможность определить значения токов возбуждения, соответствующие указанным составляющим МДС возбуждения, а также отношение короткого замыкания ОКЗ), представляющее собой отношение тока возбуждения Iв0ном, соответствующего номинальному напряжению при х. х., к току возбуждения Iв.к.ном, соответствующему номинальному току статора при опыте к. з.:

ОКЗ = Iв0ном/Iв.к.ном.

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4÷0,7; для гидрогенераторов ОКЗ = 1,0÷1,4. ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронных машин6 машины с малым ОКЗ менее устойчивы при параллельной работе и имеют значительные колебания напряжения при изменении нагрузки, но имеют меньшие габариты и меньшую стоимость.

Рис. 36. Схема опыта холостого хода (а) и характеристика холостого хода (б) синхронного генератора.

3). Внешние характеристики (рис. 38, а) – представляют собой графики зависимости напряжения на выводах обмотки статора U1 от тока нагрузки I1, т. е. U1 = f(I1), при Iв = const, cos φ1 = const, n1 = nном = const. При активной нагрузке (cos φ = 1) уменьшение тока нагрузки сопровождается ростом напряжения на выводах генератора. При индуктивной нагрузке (cos φ1 ˂ 1; инд.) уменьшение тока нагрузки сопровождается интенсивным ростом напряжения на выводах генератора. При ёмкостной нагрузке (cos φ1 ˂ 1;ёмк.) уменьшение тока нагрузки сопровождается уменьшением напряжения на выводах генератора. В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение на выводах обмотки статора U1 поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов.

4). Регулировочные характеристики (рис. 38, б) - представляют собой графики зависимости тока возбуждения Iв от тока нагрузки I1, т. е. . Iв = f(I1), при U1 = U1ном = const, cos φ1 = const, n1 = nном = const. При активной нагрузке (cos φ1 = 1) увеличение тока нагрузки сопровождается уменьшением напряжения на выводах генератора, поэтому для поддержания его неизменным по мере увеличения тока нагрузки следует повышать ток возбуждения. При индуктивной нагрузке (cos φ1 ˂ 1; инд.) увеличение тока нагрузки сопровождается более резким понижением напряжения на выводах генератора, поэтому ток возбуждения, необходимый для поддержания U1 = U1ном, следует

повышать в большей степени. При ёмкостной нагрузке (cos φ1 ˂ 1;ёмк.) увеличение тока нагрузки сопровождается ростом напряжения на выводах генератора, поэтому для поддержания U1 = U1ном ток возбуждения следует уменьшать.

Рис. 37. Схема опыта короткого замыкания (а), характеристика короткого замыкания (б) и векторная диаграмма (в) синхронного генератора.

Рис. 38. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики синхронного генератора.