Робота 15. Дослідження характеристик трифаз-

ного синхронного генератора

15.1. Мета роботи

Вивчити будову і принцип дії трифазного синхронного генератора та дослідити основні його характеристики.

15.2. Короткі теоретичні відомості

Трифазні синхронні генератори призначені для перетворення механічної енергії в електричну. Ними виробляється електрична енергія на електричних станціях. На теплових і атомних електростанціях генератори приводяться в рух паровими турбінами, а на гідроелектростанціях – гідравлічними. Синхронні генератори також використовують на пересувних дизельних електростанціях. Отже, основним джерелом електричної енергії є синхронні трифазні генератори. Їх виготовляють на одиничні потужності від десятків ват до мільйона кіловат.

Рис. 15.1.

Синхронний генератор складається з двох основних частин: статора і ротора, який обертається первинним двигуном (рис. 15.1). Статор представляє собою сталевий корпус 1, в якому закріплене циліндричне осердя 2, виготовлене з листів електротехнічної сталі. В пазах осердя розташовані три однофазні обмотки, які зміщені по колу одна від однієї на 120 електричних градусів. Обмотки 3, як правило, з’єднують зіркою з метою створення трифазної системи струмів. Фазні обмотки називають фазами і позначають латинськими літерами А, В і С.

Ротори синхронних генераторів бувають з неявновираженими і явновираженими полюсами. Ротор з неявновираженими полюсами 7 представляє собою суцільний сталевий циліндр, в пазах якого розміщена обмотка збудження 8. На валу 4 закріплені два кільця 6, на які через щітки 5 подається напруга постійного струму. Такі ротори виготовляють на швидкість обертання 3000 об/хв.

Явнополюсний ротор (рис 15.1,б) складається із сталевого обода 2, на якому закріплені виготовлені із листової електротехнічної сталі полюси 1, обмотки збудження 3, полюсних наконечників 4, вала з двома кільцями і щіток. Кількість пар полюсів р при частоті змінного струму зв’язана з частотою обертання ротора залежністю

, /15.1/

де - частота обертання ротора в обертах за хвилину.

Принцип роботи синхронного генератора полягає в наступному. Постійний струм обмотки збудження , спричиняє появу магнітного потоку . Цей магнітний потік, як зображено на рис. 15.1,а пунктирними лініями, буде проходити по осердям ротора і статора, а також через повітряні проміжки між ротором і статором. При обертанні ротора первинним двигуном разом з ним буде обертатись і магнітний потік, який, перетинаючи провідники обмоток статора, буде індукувати в них ЕРС однієї амплітуди і частоти, але зсунуті в часі на 120⁰. Щоб при сталій частоті обертання ротора в обмотках статора індукувались синусоїдні ЕРС, магнітна індукція вздовж повітряного проміжку між ротором і статором повинна змінюватись також за синусоїдним законом. В генераторах з явновираженими полюсами це досягається відповідною зміною величини повітряного проміжку між наконечниками полюсів і статором (рис. 15.2), а в роторах з неявно вираженими полюсами – відповідним розміщенням обмотки в пазах ротора. За цих умов у фазних обмотках статора будуть індукуватись ЕРС, миттєві значення яких визначатимуться такими співвідношеннями:

/15.2/

де - амплітуда ЕРС; - кількість витків однієї фази обмотки статора; - обмоточний коефіцієнт; - частота ЕРС в обмотках статора.

Щоб частота дорівнювала 50 Гц при різних швидкостях обертання ротора, синхронні генератори виготовляють з різною кількістю пар полюсів. Так, турбогенератори виготовляють на швидкість обертання 3000 об/хв і мають одну пару полюсів . Гідрогенератори в залежності від напору води виготовляють на швидкості від 50 до 750 об/хв і вони мають відповідно від 60 до 4 пар полюсів.

При роботі синхронної машини під навантаженням трифазна система ЕРС зумовлює трифазну систему струмів, яка створює магнітне поле, частота обертання якого

. /15.3/

Рівність /15.3 /показує, що магнітні поля статора і ротора обертаються з однаковою частотою (синхронно). Від цього і походить назва синхронних Рис.15.2 машин.

Основними характеристиками генера-

тора є характеристика холостого ходу, зовнішня та регулювальна характеристики.

Характеристика холостого ходу це залежність ЕРС генератора від струму збудження при струмі статора і . Оскільки ЕРС пропорційна основному магнітному потоку , який залежить від струму збудження, то буде повторювати залежність тільки в іншому масштабі. Отже, характеристика холостого ходу буде подібна до характеристики намагнічення сталі, з якої виготовлені ротор і статор машини. Якщо знехтувати залишковим магнетизмом, то характеристика холостого ходу генератора буде мати вигляд, наведений на рис. 15.3. При збільшенні І_з ЕРС майже лінійно зростає і з насиченням сталі швидкість зростання знижується. Точка А відповідає номінальному режиму роботи генератора і знаходиться плизько до перегину кривої.

Зовнішня характеристика - це залеж-ність напруги на клемах генератора від струму навантаження . При симетричному навантаженні фазні струми, рівні за величиною, але зміщені в часі на 120⁰, утворюють симетричну систему намагнічуючих сил, яка спричиняє трифазну симетричну систему магнітних потоків. Магнітні потоки фазних обмоток частково замикаються навколо провідників своїх фаз (потоки розсіювання ) і основні їх частини замикаються через полюси ротора, повітряні зазори між ротором і статером та осердя статора, утворюючи обертове магнітне поле, яке обертається у просторі з частотою обертання ротора і яке нерухоме відносно ротора. Вплив магнітного потоку статора на магнітний потік ротора за аналогією з машинами постійного струму, в яких обертається якір, називається реакцією якоря.

Оскільки ЕРС, струми і магнітні потоки є сінусоїдними функціями, то їх представляють векторами. Магнітний потік ротора і магнітний потік статора взаємно нерухомі, вони векторно складаються, утворюючи результуючий магнітний потік генератора, вектор якого

. /15.4/

Магнітний потік , зазвичай, розкладають на дві складові: на поздовжню, направлену по осі магнітних полюсів ротора, і поперечну. При активно-індуктивному навантаженні поздовжня складова направлено проти потоку ротора і результуючий потік зменшується. При активно-ємнісному навантаженні навпаки: поздовжня складова складається з потоком ротора і результуючий потік збільшується. Відповідно змінюються і ЕРС фазних обмоток. Тому зовнішню характеристику генератора знімають при і сталих значеннях струму збудження і частоти обертання ротора.

Оскільки магнітні потоки розсіювання замикаються в немагнітному середовищі (мідь, повітря, ізоляція), магнітна проникність якого стала, то індуковану ними ЕРС розсіювання, як і в трансформаторах, при розрахунках замінюють індуктивним опором , де - індуктивність фазної обмотки.

Напруга однієї фази у векторній формі зв’язана зі струмом рівнянням

, /15.5/

де , індуктивна результуючим магнітним потоком; - повний опір фазної обмотки; і - відповідно її резистивний і індуктивний опори.

Зазвичай, аналіз рівнянь у векторній формі проводять на підставі векторних діаграм при різних навантаженнях. Розглянемо спочатку векторну діаграму при активно-індуктивному навантаженні.

При побудові векторної діаграми в якості основного вибирають вектор ЕРС (рис. 15.4,а), від якого під кутом проводить вектор струму . Напруга на клемах генератора менша ЕРС на величину спаду напруги на повному опорі (рівняння 15.5) Для побудови вектора відкладають з кінця вектора перпендикулярно до вектора вектор (спад напруги на індуктивному опорі) і паралельно вектору - вектор (спад напруги на резистивному опорі). З’єднавши точку 0 з кінцем вектора , одержимо вектор напруги . Кут φ між вектором і визначає характер навантаження.

а) б)

Рис. 15.4.

З векторної діаграми слідує, що при зі збільшенням струму будуть збільшуватись спади напруг на опорах і фазна напруга буде зменшуватись. Одночасно буде зменшуватись результуючий магнітний потік , зумовлений розмагнічуючою дією магнітного потоку статора , що призводить до зменшення ЕРС і ще більшого зниження напруги генератора. Тому залежність є нелінійною, як показано на рис. 15.5 (криві 2 і 3). Крива 3 відповідає .

На рис. 15.4,б наведена векторна діаграма при активно-ємнісному навантаженні. Вона відрізняється від діаграми при активно-індуктивному наванта-женні тим, що струм випереджає ЕРС В результаті поздовжня складова реакції якоря складається з потоком ротора і результуючий магнітний потік збільшується. Це призводить до збільшення ЕРС. Зі збільшення

Рис. 15.5. струму відбувається насичення статора і ротора, інтенсивність зростання ЕРС зменшується, а спади напруг збільшуються пропорційно струму. Тому при струмі, близькому до номінального, фазна напруга починає знижуватись (крива 1 на рис. 15.5).

Зазвичай, синхронні генератори електричних станцій працюють на загальну мережу ,в якій напруга . Тому сталою повинна бути напруга на клемах кожного генератора незалежно від величини і характеру навантаження. Цього добиваються тим, що при збільшенні струму відповідно змінюють струм Рис. 15.6. збудження. Залежність струму збудження від струму статора

при і сталих значеннях і частоти обертання ротора називається регулювальною характеристикою.

На рис. 15.6 показані регулювальні характеристики при різних значеннях . З них видно, що при активно-індуктивному навантаженні, коли , необхідно збільшувати струм збудження при збільшенні струму статора, а при активно-ємнісному, коли - зменшувати. Такі залежності зумовлені дією реакції якоря і узгоджуються як з векторними діаграмами, так і з зовнішніми характеристиками.