6. Характеристики сг. Характеристика холостого хода и короткого замыкания. Опытное определение Xd. Отношение короткого замыкания.

В симметричном установившемся режиме работы частота тока не изменяется. Основные переменные, характеризующие работу СГ, — напряжение, ток статора и ток возбуждения. Его характеристиками являются зависимости между двумя из этих переменных при постоянной третьей и неизменном угле φ, (cosφ = const):

1. Нагрузочные характеристики U = f (i_f) , при I = const.

2. Регулировочные характеристики i_f = f (I) , при U = const.

3. Внешние характеристики U = f (I) , при i_f = const.

Каждая из этих зависимостей входит в семейство характеристик, отличающихся значением постоянной величины.

Характеристика холостого хода (XXX) есть частный случай нагрузочной характеристики при I = 0. Напряжение, измеряемое на зажимах обмотки статора равно ЭДС: U0 = Eaf , индекс 0 означает «холостой ход». Опытная кривая характеристики холостого хода представляет достаточно узкую петлю гистерезиса, и её средняя линия изображена на рис. 3.2.3. Ток возбуждения, вызывающий номинальное напряжение при холостом ходе, обозначается if 0. В начале, при малых if и индукциях, магнитное сопротивление

Рис. 3.2.3. XXX СГ

стальных участков магнитной цепи мало по сравнению с постоянным сопротивлением зазора, и тогда поток и ЭДС пропорциональны МДС обмотки возбуждения. По мере увеличения индукции в стали падает её магнитная проницаемость и растёт магнитное сопротивление, что требует все большей МДС для проведения потока по стальным участкам. Прямая, совпадающая с начальной частью XXX, называется «ненасыщенной» характеристикой холостого хода E_{af ∞} = f (i_f). Отношение полной МДС возбуждения к МДС, необходимой для проведения потока через зазор, называется коэффициентом насыщения:

Для точки номинального напряжения получим:

На криволинейном участке характеристики коэффициент k_μd изменяется. Точка номинального напряжения обычно лежит на колене кривой намагничивания при коэффициенте насыщения k_μd = 1,2 - 1,4. Для меньшего насыщения надо увеличивать площади сечения стальных участков, т. е. размеры, и машина получается более «железной», а увеличение насыщения делает её более «медной», приводит к повышенному расходу обмоточного провода, увеличению плотности тока, электрических потерь и нагрева. У энергетических машин насыщение меньше, так у турбогенераторов k_μd = 1,2 , а у гидрогенераторов k_μd ≈ 1,06.

Кроме спрямлённой ненасыщенной XXX с k_μd = 1 можно рассматривать и спрямлённую насыщенную XXX с постоянным коэффициентом k_μd > 1, например, линию ОС, спрямлённую через точку номинального напряжения. Насыщенное значение индуктивного сопротивления взаимоиндукции статора и OB x_af по (3.1.6 ,а):

Характеристика короткого замыкания является частным случаем регулировочной характеристики, когда U = const = 0. Обычно её рассматривают как I = f (if). Так как малое активное сопротивление обмотки статора принято равным нулю, то ток статора можно считать чисто индуктивным, т. е. продольным: I = Id , Iq = 0. Схема замещения и векторная диаграмма при коротком замыкании представлены на рис. 3.2.4. Из-за размагничивающей реакции якоря поток в зазоре Фδ и ЭДС Eδ от этого потока малы:

Рис. 3.2.4. КЗ СГ а) схема замещения б) векторная диаграмма

Магнитная цепь при коротком замыкании не насыщена, а характеристика Ik = f (if) прямолинейная, рис. 3.2.5. Здесь ifk ток возбуждения, вызывающий при КЗ номинальный ток якоря. Зная ЭДС Eaf и ток Ik, можно найти хd. Измерить ЭДС непосредственно в опыте короткого замыкания невозможно, так как обмотка замкнута накоротко. При ненасыщенной магнитной системе ЭДС можно найти по «ненасыщенной» характеристике холостого хода Eaf∞=f(if), также представленной на рис. 3.2.5. Определяя при одном и том же токе возбуждения ЭДС Eaf ∞ и ток короткого замыкания / к (Е0 и Ik0 при токе if 0, Еk и Iн при токе If k), находим ненасыщенное значение синхронного индуктивного сопротивления хd ∞:

Рис. 3.2.5. Характеристика короткого замыкания СГ

Величина насыщенного сопротивления в k_μd раз меньше:

Для насыщения, соответствующего величине E_δ равной U_н, имеем:

k_окз, — отношение короткого замыкания. Оно равно обратной величине насыщенного значения x_d в относительных единицах:

Отношение насыщенных значений х_d обратно отношению коэффициентов насыщения: x_d1 / x_d2 = k_μd2 / k_μd1. Поскольку с изменением тока статора Е_δ, Ф_δ и насыщение изменяются, то расчёт характеристик с учётом насыщения представляет определенные трудности. Упрощённо его учитывают, вводя постоянный коэффициент k_μd.

Опытное определение x_d. Опытные ХХХ и ХКЗ позволяют определить опытное значение продольного синхронного сопротивления x_d. Обычно находят ненасыщенное значение этого сопротивления x_d∞, которое, в отличие от насыщенного значения x_d, для каждой машины вполне определенное. Чтобы определить x_d∞ для какого-либо значения тока возбуждения по спрямлённой ненасыщенной ХХХ находят E_∞ = A’A”, после чего в соответствии с равенством (3.2.6) вычисляют = E_∞ / I

Если вместо E∞ в равенство (3.2.6.) подставить значение E∞ = А’А” для той же величины if, то отношение будет определять насыщенное значение xd при таком насыщении магнитной цепи, которое соответствует данному значению E. Кривая 4 представляет собой насыщенные значения xd = f (if)

Рис. 3.2.6. СГ 1 – ХХХ 2 – ХКЗ