Лекции / Лекция 21 Характеристики и диаграммы СГ

Характеристики и диаграммы синхронных генераторов

Характеристики синхронных генераторов. Основными ха-

рактеристиками синхронного генератора, работающего на автономную нагрузку, являются: характеристика холостого хода, характеристика короткого замыкания, нагрузочная, внешняя и регулировочная. Первые три используются для определения индуктивных сопротивлений генератора и других параметров.

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хо-

да представляет зависимость E f (If ) при постоянной частоте враще-

ния. Она снимается в восходящей и нисходящей ветвях. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяется величиной гистерезиса магнитной цепи ротора. Для построения диаграмм напряжения и других характеристикрекомендуется использовать нисходящую ветвь с нулем, помещенным в точке пересечения кривой с осью абсцисс. При изменении тока возбуждения от нуля ЭДС и поток сначала изменяются по линейному закону, а затем из-за насыщения магнитной цепи характеристика холостого хода отклоняется от линейного закона. Чтобы обеспечить лучшее использование материалов, при проектировании рабочая точка выбирается на колене кривой (точка A на рис. 4.1.)

Характеристики холостого хода стандартизированы. В табл. 4.1 даны стандартные характеристики холостого хода для турбо-и гидрогенераторов в относительных единицах. Стандартизация характеристики холостого хода необходима для обеспечения успешного включения генераторов на параллельную работу.

E

Uн

Iн

Iко

Iн Х

Рис. 4.1.Характеристика холостого хода

При холостом ходе, кроме потока в воздушном зазоре, который наводит ЭДС в обмотке статора, есть поток рассеяния обмотки возбуждения, сцепленный только с обмоткой возбуждения. Он замыкается вокруг обмотки возбуждения в межполюсном пространстве. В турбогенераторах он равен 4 – 8% рабочего потока.

Стандартные характеристики холостого хода.

Таблица 4.1.

Примечание. Т-турбогенератор, Г-гидрогенератор

Характеристика трехфазного короткого замыкания. Эта характе-

ристика снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки статора накоротко и определяет зависимость I f (If ) при U 0 и f1 fн.

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, то сопротивление обмотки статора будет чисто индуктивным. Поэтому

угол между ЭДС и током 90 , Iq 0, Id I и

E jIXd .

При коротком замыкании реакция якоря является чисто размагничивающей, ЭДС E от результирующего потока воздушного зазора, равная

E E IXad IX ,

весьма мала, вследствие чего и поток мал. Поэтому при коротком замыкании магнитная цепь не насыщена, характеристика I f (I f )

прямолинейна.

Если известен коэффициент Kid , можно определить МДС реак-

ции якоря в масштабе тока возбуждения Kid IH . Определив по харак-

теристике короткого замыкания величину тока возбуждения при токе к.з., равному номинальному (отрезок ОА на рис. 4.1) и вычтя из него составляющую СД, которая компенсирует чисто продольную размагничивающую реакцию якоря, получим величину тока возбуждения, которая идет на создание ЭДС рассеяния (отрезок ОС). Отрезок ВС соответствует ЭДС E . Отсюда следует

X E .

Iн

Если снимать характеристики короткого замыкания при переменной частоте вращения, то ток короткого замыкания практически не будет зависеть от частоты вращения, т.к. индуктивные сопротивления и ЭДС, индуктированная потоком возбуждения, изменяется пропорционально частоте, следовательно пропорционально частоте вращения.

Только при очень малых частотах, когда становится заметным влияние активного сопротивления ra на величину d , характеристика

Iк f (n) дает перегиб, спускаясь при n 0 к значению Iк 0 .

Отношение короткого замыкания. Отношением короткого за-

мыкания называется отношение тока короткого замыкания Iко при токе возбуждения, соответствующем номинальному напряжению E0 Uн по характеристики холостого хода, к номинальному току статора Iн .

Кокз Iко .

Iн

If f (I) при

U Const, f Const и

Cos Const . Она показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось постоянным. Для различных значений Cos регу-

лировочные характеристики показаны на рис. 4.3.

Вид характеристик также объясняется характером действия реакции

якоря. При отстающем токе продольная составляющая реакции якоря является размагничивающей и для компенсации ее влияния с увеличением I необходимо значительно увеличивать ток возбуждения. При чисто активной нагрузке продольная размагничивающая реакция якоря слабее и требуется меньшее увеличение If . При опережающем токе

продольная реакция якоря стремится увеличить напряжение, вследствие чего с увеличением тока I необходимо уменьшать If .

Нагрузочные характеристики. Эта характеристика определяет зависимость U f (If ) при I Const, Cos Const, f Const и пока-

зывает, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока возбуждения If при условии постоянства I и Cos . Наибольший

интерес представляет так называемая индукционная нагрузочная характеристика (рис. 4.3), которая соответствует чисто индуктивной нагрузке генератора, когда Cos 0 . Обычно она снимается при Iн .

Нагрузочные характеристики при Сos 0.8 ( 0) и Cos 1 прохо-

дят выше характеристики при Cos 0 и не являются параллельными по отношению к характеристике холостого хода E0 f (If ) . Характе-

ристики при Сos 0.8 и Cos 0 при 0 проходят выше характеристики холостого хода.

замыкании ОА индуктирует ЭДС E Iн X , а другая составляющая этого тока СА компенсирует размагничивающее действие реакции якоря, и поэтому CA Kid Iн.

МДС реакции якоря и ЭДС рассеяния E Iн X в режиме ин-

дукционной характеристики постоянны, т.к. X при I Const прак-

тически не зависит от величины результирующего потока в зазоре. Поэтому индукционную характеристику 2 можно построить с помощью х.х.х. и реактивного треугольника СBA, передвигая его параллельно самому себе так, чтобы его вершина В скользила по х.х.х. Тогда вершина A опишет характеристику 2. Одно из положений этого тре-

магничивающую реакцию якоря в этом режиме, а составляющая OD=OK–DK должна индуцировать результирующую ЭДС величиной

E U IX DC C B DB .

Из х.х.х. на рис. 4.4 следует, что ток OD действительно индуцирует такую ЭДС. Если X и Kid неизвестны, то с помощью характеристик 1

и 2 можно определить X и величину МДС реакции якоря. Так как в по-

следнем случае известны сторона OA O A и угол AOB A O B , то, отложив из некоторой точки A отрезок O A OA и проведя линии O B параллельную ОВ, найдем точку пересечения B с кривой 1. Опустив из точки B вертикаль B C , получим

B C

X Iн ,

а отрезок С А определяет величину МДС реакции якоря в масштабе

If .

Опыт показывает, что опытная индукционная нагрузочная характеристика отклоняется вправо от характеристики, построенной с помощью х.х.х. и реактивного треугольника, тем больше, чем больше напряжение U . Причина этого заключается в том, что хотя для точек B и A величины ЭДС E и потока Ф одинаковы, соответствую-

щие токи возбуждения OD и OK неодинаковы. Так как ОК OD, то поток рассеяния обмотки возбуждения больше, что вызывает увеличение насыщения полюсов и ярма индуктора.

которое называется индуктивным сопротивлением Потье или расчетным индуктивным сопротивлением рассеяния обмотки якоря.

У неявнополюсных машин Xp (1.05 1.1)X , а у явнополюс-

ных Xp (1.1 1.3)X .

Векторные диаграммы напряжений синхронного генерато-

ра. Напряжение фазы обмотки генератора равно сумме индуцируемых в этой обмотке ЭДС минус падение напряжения в активном сопротив-

лении обмотки якоря (статора) ra . В соответствии с этим уравнение напряжения явнополюсного синхронного генератора будет иметь вид:

ЭДС реакции якоря и рассеяния в (4.1) выразим через соответствующие токи и индуктивные сопротивления:

. . . . . .

Ead jId Xad; Eaq jIq Xaq; E j I X .

При этом уравнение напряжения примет вид:

Сопротивления Xad и Xaq можно объединить с сопротивлени-

ем X в синхронные сопротивления:

Xd Xad X ; Xq Xaq X .

Тогда вместо уравнения (4.2) получим:

U E jId Xd jIq Xq I ra.

Уравнениям (4.2) на рис. 4.5 соответствует векторная диаграмма явнополюсного синхронного генератора при активно индуктивной нагрузке, когда 0 .

При этом диаграмму на рис. 4.5 можно несколько видоизменить, как показано на рис. 4.6. На этой диаграмме направления векторов падений напряжений изменены на обратные. Поэтому диаграмма соответствует уравнению напряжения вида:

E U I ra jIq Xq jId Xd .

Если из точек A на рис. 4.5 и 4.6 провести перпендикулярно вектору

этих отрезков на рис. 4.5 будут равны I Xaq , а на рис. 4.6 равны I Xq .

Это следует из того, что в прямоугольных треугольниках АQВ угол при вершине A равен , и поэтому для рис. 4.5

Если режим работы синхронного явнополюсного генератора задан величинами U,I, можно найти ЭДС по формуле:

У неявнополюсного синхронного генератора сопротивления по про-

дольной и поперечной осям равны между собой Xq Xq . Векторная диаграмма для него представлена на рис. 4.7.

E(U cos )2 (Usin IXq)2.

Сдругой стороны по теореме косинусов