Дослідження синхронного генератора

Мета: дослідження синхронного генератора з|із| електромагнітним збудженням при роботі на пасивне навантаження.

Теоретичні положення

Синхронною (СМ) називають машину змінного струму|току|, в якій швидкість обертання ротора дорівнює швидкості обертання магнітного поля в її повітряному зазорі [1–5].

Розрізняють два основні конструктивні різновиди СМ. В одному випадку якірна обмотка розташована|схильна| на статорі, а індуктор обертається, в другом – індуктор розташований|схильний| на статорі, а якірна обмотка на роторі (обернена конструкція). Залежно від конструкції індуктора розрізняють явнополюсні| і неявнополюсні| синхронні машини. Потужні синхронні машини дво-| і чотирьохполюсного|чотириполюсного| виконання з|із| швидкостями обертання 3000 і 1500 об/хв. за умовами механічної міцності ротора виконують неявнополюсними|. Явнополюсні СМ із-за нерівності повітряного зазору за поздовжньою віссю d (віссю полюсів індуктора) і поперечною віссю q (по середині міжполюсного простору) мають різні величини синхронних індуктивних опорів x_d >x_q.

В неявнополюсних| СМ повітряний зазор рівномірний, тому синхронні індуктивні опори по повздовжній і поперечній осях однакові x_d=x_q. У режимі холостого ходу СМ вектор напруги|напруження| співпадає|збігається| за напрямом|направленню| з|із| вектором ЕРС| і їх амплітуди рівні. З цієї причини кут|ріг,куток| навантаження  (кут|ріг,куток| між векторами ЕРС| і напруги|напруження|) рівні нулю, і магнітні силові лінії в повітряному зазорі мають найменшу довжину і спрямовані в радіальних напрямах|направленнях|.

Якщо за рахунок навантаження СМ, яка працює на електричну мережу|сіть|, магнітне поле індуктора починає|розпочинає,зачинає| випереджати поле струмів|токів| якоря на кут  |ріг,куток|, то внаслідок взаємодії електромагнітного поля індуктора із|із| струмами|токами| статора з'являються|появляються| тангенціальні складові електромагнітних сил, що створюють гальмівний|гальмовий| момент, і СМ працює в генераторному режимі, віддаючи електричну енергію в мережу|сіть|.

Якщо під дією зовнішніх факторів поле індуктора починає|розпочинає,зачинає| відставати від поля струмів|токів| якоря на кут|ріг,куток|  <0, то тангенціальні складові сил електромагнітної взаємодії змінюють|зраджують| знак і діють у напрямі обертання ротора, і СМ переходить в режим двигуна, споживаючи з|із| мережі|сіті| електричну енергію і розвиваючи механічну енергію на своєму валу.

У|в,біля| синхронних генераторів (СГ), що працюють на автономне навантаження, зміна величини навантаження призводить до зміни рівня напруги|напруження| внаслідок зміни величини падіння напруги|напруження| на опорах якірної обмотки і впливу на магнітний потік реакції якоря.

При чисто активному навантаженні =0 в генераторі виникає поперечна реакція якоря, яка змінює|зраджує| кут|ріг,куток|  між векторами ЕРС| і напруги|напруження|, істотно|суттєво| не впливаючи на величину напруги|напруження|. Кількісно величина поперечної реакції якоря пропорційна|пропорціональна| поперечній складовій струму|току| якорі і величині індуктивного опору реакція якоря за поперечною віссю x_aq,, тобто E_aq=I_qx_aq.

При активно-індуктивному навантаженні, крім поперечної, з'являється|появляється| і поздовжня реакція якоря, ЕРС| якої E_ad=I_dx_ad спрямована проти ЕРС|, створюваної струмом|током| збудження, і напруга|напруження| на генераторі знижується. При активно-ємнісному навантаженні ЕРС| поздовжньої реакції співпадає|збігається| за напрямом|направленню| з|із| ЕРС|, створюваною обмоткою збудження і збільшує напругу|напруження| генератора. Векторні діаграми для активного, індуктивного і ємнісного навантажень наведені на рис. 6.1.

Рис. 6.1

В рівняннях синхронних індуктивних опорів x_d=x_ad+x_s і x_q=x_aq+x_s величина індуктивного опору x_s відповідає індуктивному опору розсіяння фази якірної обмотки.

Електромагнітна потужність СГ| визначається співвідношенням Р_ем = m₁U₁Icos. Якщо виразити|виказати,висловити| струм|тік| через параметри і кут|ріг,куток| навантаження, то для явнополюсного| генератора

.

Перший доданок залежить від ступеня|міри| збудження генератора і пропорційно косинусу кута|рогу,кутка| навантаження, а друге – пропорційно синусу подвійного кута|рогу,кутка| навантаження, що обумовлено явнополюсністю| генератора x_d > x_q.

Для неявнополюсного| генератора x_d = x_q і другий доданок потужності рівний нулю.

Якщо розділити електромагнітну потужність на швидкість обертання, то визначається електромагнітний момент машини:

,

де  – швидкість обертання ротора, рівна швидкості обертання магнітного поля, а f – частота змінного струму|току| якоря СМ.

Завдання

Параметри машини задаються викладачем, або вибираються із довідникової літератури [6].

1. Зняти кутову характеристику генератора.

2. Зняти і побудувати зовнішню U₁ = f(I_a) і робочі U₁, cos, I_a = = f(Р_Г) характеристики генератора при активному навантаженні.

3. Зняти і побудувати зовнішні характеристики генератора при активно-індуктивному і активно-ємкісному навантаженнях.

4. Побудувати векторні діаграми при активному, активно-індуктивному і активно-ємкісному номінальних навантаженнях.

5. Зробити висновки по роботі та отриманих результатах.

Хід виконання роботи

1. Зібрати розрахункову схему моделі (рис. 6.2).

2. Задати параметри моделювання (рис. 6.3).

Рис. 6.2

Рис. 6.3

3. Зняття кутової характеристики відповідно до п. 1 змісту|вмісту,утримання| роботи проводиться|виробляється,справляється| при зміні активної потужності навантаження від 0 до 1,6 номінальної потужності генератора. При цьому в блоці 3-Phase Series RLC Load коефіцієнт при активній потужності змінюється від 0 до 1,6 з|із| кроком 0,2, а коефіцієнти при реактивних потужностях рівні нулю. Результати вимірювань|вимірів| занести в табл. 6.1.

Таблиця 6.1

Вимірювання			Розрахунок
РГ, Вт	, рад/с	, град.	М, Н∙м

Момент на валу генератора обчислюється за формулою .

4. Зняття зовнішньої і робочих характеристик генератора при активному навантаженні проводиться|виробляється,справляється| при зміні активної потужності навантаження в діапазоні від 0 до 1,2 номінального значення з|із| кроком 0,2 номінального значення. Результати вимірювань|вимірів| занести в табл. 6.2.

Таблиця 6.2

Вимірювання						Розрахунок
Рнав, Вт	Qнав, ВАр	, град.	, рад/с	РГ, Вт	U1, В	cos	Ia, А

Розрахунки здійснюються за формулами:

,

5. Зняття зовнішніх характеристик генератора при активно-ін­дук­тивному і активно-ємнісному навантаженнях проводиться|виробляється,справляється| аналогічно попередньому пункту. При зміні потужності навантаження необхідно дотримуватись умови при cos = 0,8. Результати вимірювань|вимірів| занести в табл. 6.2.

6. Побудувати|спорудити| кутову характеристику генератора М = f().

7. Побудувати робочі характеристики генератора при активному навантаженні U₁, cos, I_a = f(Р_Г).

8. Побудувати зовнішні характеристики генератора при активному, активно-ін­дук­тивному і активно-ємнісному навантаженнях U₁ = f(I_a).|спорудити|

9. Побудувати|спорудити| векторні діаграми при активному, активно-індуктивному і активно-ємкісному навантаженнях номінального значення.

10. Зробити висновки|виведення| по роботі.

Контрольні питання

1. Що таке реакція якоря в синхронній машині?

2. Який характер має реакція якоря при активному, активно-індуктивному або активно-ємнісному характері навантаження?

3. Поясніть вигляд зовнішніх характеристик синхронного генератора при активному, активно-індуктивному або активно-ємнісному навантаженні.

Лабораторна робота № 7