2. Холостой ход синхронных генераторов

Под холостым ходом автономного синхронного генера­тора понимается такой режим работы, когда ротор враща­ется приводным двигателем, а ток в разомкнутой обмотке якоря равен нулю. В этом случае магнитное поле машины будет создаваться только током обмотки возбуждения. Это поле можно разложить на две составляющие: основное по­ле, магнитные линии которого проходят через воздушный зазор и сцепляются с обмоткой якоря, и поле рассеяния по­люсов, магнитные линии которого сцепляются только с об­моткой возбуждения.

Магнитный поток основного поля при вращении ротора индуцирует в обмотке якоря ЭДС. К ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря синхронного генератора, и к напряжению на его выводах предъявляется требование, чтобы их форма приближалась к синусоидальной. Это вызвано тем, что при синусоидальных ЭДС и напряжении ток в якоре и в нагруз­ке при линейном характере магнитной цепи и нагрузки так­же будет синусоидальным. Вследствие этого общие потери в генераторе и у потребителей уменьшаются, так как будут отсутствовать добавочные потери от высших гармоничес­ких. Проверка синусоидальности кри­вой выполняется для линейного напряжения при рабочей схеме соединения обмотки якоря. Критерием для оценки служит коэффициент искажения синусоидальности кривой, выраженный в процентах:

где E_m, E_mv— амплитудное (или действующее) значение основной и высшей гармонической составляющей ЭДС.

Стандартом предписывается иметь коэффициент иска­жения кривой линейного напряжения в трехфазных генера­торах переменного тока частотой 50Гц не более 5 % для генераторов мощностью свыше 100 кВ∙А и не более 10% для генераторов мощностью до 100 кВ∙А.

Рис. 1. Полюс явнополюсного синхронного генератора с неодина­ковым воздушным зазором (а) и распределение магнитной индукции в зазоре (б)

→

Рис. 2. Полюсное деление неявнополюсного синхронного генератора (а) и кривая распределения МДС возбуждения (б)

Для получения кривой ЭДС, близкой к синусоиде, прежде всего необходимо, чтобы кривая поля возбуждения машины была по возможности ближе к синусоиде. В явно-полюсной машине для этого зазор между полюсом и стато­ром выполняют неодинаковым (рис. 1, а). Обычно под краями полюса зазор принимают в 1,5—2 раза большим, чем под серединой. Распределение индукции под полюсом при такой конфигурации его наконечника показано на рис. 1, б. Там же штриховой линией для сравнения, по­казана кривая индукция при равномерном зазоре.

В неявнополюсной машине улучшение формы поля воз­буждения достигается выбором соотношения между обмо­танной и необмотанной частями полюсного деления (рис. 2, а). Пренебрегая влиянием пазов, создающих некоторую ступенчатость в кривой МДС и индукции, мож­но принимать, что МДС возбуждения, а также кривая по­ля распределены по окружности цилиндрического ротора с неявными полюсами по закону трапеции. Тогда амплиту­ды основных гармоник МДС и индукции поля будут соот­ветственно равны:

где F_B1 и В_σ1 —максимальные значения 1-й гармонической МДС обмотки возбуждения на один полюс и индукции в за­зоре; w_B, I_B —витки обмотки возбуждения на полюс и ток возбуждения.

В целях улучшения кривой поля возбуждения необмо­танную часть выбирают равной τ/3 (α=π/3). В этом случае ( в кривой поля будут отсутствовать все гармоники с номером, кратным 3, а остальные высшие гармоники будут ослаблены. Кроме того, для улучшения формы кривой индуцированной ЭДС применяют распределение обмотки якоря по пазам и укорочение ее шага. В крупных многополюсных машинах улучшению кривой ЭДС способ­ствует применение обмоток с дробным q.

Важной характеристикой синхронной машины является характеристика холостого хода. Она представляет собой зависимость ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря Е, от то­ка в обмотке возбуждения I_B при неизменной частоте вра­щения ротора. Эта характеристика позволяет оценить насы­щение магнитной цепи машины, кроме того, ее используют для построения векторных диаграмм и других характери­стик машины.

Расчетным путем характеристика холостого хода может быть получена из расчета магнитной цепи.

На рис. 3 показана схема для снятия характеристи­ки холостого хода опытным путем. С помощью резистора R_B ток возбуждения изменяют от максимального значения до нуля, записывая при этом показания амперметра и вольт­метра. Опытная характеристика холостого хода показана на рис. 4 штриховой линией. При I_B= 0 ЭДС равна ЭДС от остаточного магнетизма E_OCT=2÷3 % U_HOM. При расчетах обычно используют характеристику холостого хода, ко­торую получают, смещая опытную характеристику вправо на отрезок A0 (сплошная линия).

На основании сравнения характеристик холостого хода различных синхронных генераторов было установлено, что эти характеристики мало отличаются друг от друга, если построение их производить в относительных единицах. При переводе ЭДС в относительные единицы ее текущее значе­ние в вольтах делят на номинальное напряжение якоря (Е_*=E/U_HOM). Относительное значение тока возбуждения находят по отношению текущего значения тока возбужде­ния в амперах к току, принятому за базовый I_B,б . За базовый ток возбуждения I_B,б принимается ток, соответствующий по характеристике холостого хода E=U_НОМ.

Рис. 3. Схема для снятия –характеристики холостого хода

Рис. 4. Характеристи­ка холостого хода

Полученные таким образом характеристики называются нормальными характеристиками холостого хода. Данные этих характеристик для явнополюсных и неявнополюсных генераторов приведены в таблице.

IB	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5
E*

Примечание. В числителе дроби дана ЭДС явнополюсных генераторов (гидрогенераторов), а в знаменателе — неявнополюсных генераторов (турбогенера­торов).