Контрольные вопросы для домашней подготовки

1. Дайте определения и поясните физическую сущность основных параметров синхронного явнополюсного генератора: r, x_d, x_q, x_ad, x_aq, x_, x₁, x₂, x₀.

2. Какие методы применяются при опытном определении активного сопротивления обмотки якоря?

3. Какие методы применяются для опытного определения синхронных индуктивных сопротивлений?

4. В каком соотношении находятся сопротивления x_d и x_q в явнополюсных и неявнополюсных синхронных машинах? Как зависят эти сопротивления от величины воздушного зазора?

5. Какие методы применяются для определения сопротивлений x₁, x₂, x₀? Дать критический анализ этих методов?

6. В каком соотношении находятся сопротивления x₁, x₂, x₀? Как эти сопротивления зависят от конструкции ротора синхронного генератора?

7. Объяснить последовательность построения векторной диаграммы синхронного генератора для определения повышения напряжения при сбросе нагрузки. Как учитывается влияние реакции якоря и насыщения магнитной цепи машины?

8. Как влияет насыщение магнитной цепи синхронного генератора на величину повышения напряжения?

9. Что характеризует собой отношение короткого замыкания? Какова его физическая сущность?

10. Как влияет выбор величины сопротивления x_d и о.к.з. на габариты синхронного генератора?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С МОЩНОЙ СЕТЬЮ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить условия и методы включения синхронного генератора на параллельную работу.

1.2. Произвести включение синхронного генератора в сеть методом точной синхронизации.

1.3. Изучить процесс регулирования активной и реактивной мощности, отдаваемой генератором в сеть.

1.4. Изучить принцип обратимости синхронных машин и машин постоянного тока.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2.1. Собрать схему синхронного генератора и первичного двигателя, рисунок. Схемы, обведенные штриховой линией, собраны.

2.2. Привести ротор синхронного генератора при разомкнутой обмотке статора во вращение с частотой, приблизительно равной синхронной, при помощи двигателя постоянного тока.

Напряжение к схеме двигателя подводится линейным пускателем Л1. Перед пуском двигателя необходимо убедиться в том, что сопротивление регулировочного реостата R_р равно нулю, а пусковой реостат R_п установлен в положение «СТОП» (сопротивление ). Включить выключатель S6 и медленно (за 2-4 с) повернуть ручку R_п из положения «СТОП» в положение «ХОД». При этом происходит пуск двигателя. Частота вращения якоря двигателя отсчитывается по прибору «n» и регулируется плавным изменением сопротивления R_р (при необходимости R_п). Установить частоту вращения приблизительно равной номинальному значению ( об/мин).

2.3. Подать напряжение на обмотку возбуждения синхронного генератора включением выключателя S3 и нажатием на кнопку S4.

Для включения синхронного генератора на параллельную работу с другими генераторами (сетью) необходимо выполнить следующие условия:

• напряжение на зажимах обмотки якоря должно быть равно напряжению в сети;

• частоты напряжения генератора и в сети должны быть одинаковы;

• чередование фаз обмотки якоря генератора должно соответствовать чередованию фаз сети;

• напряжение генератора и напряжение в сети должны совпадать по фазе.

Проверить условия параллельной работы. Для этого линейным пускателем Л2 подать переменное напряжение на стенд (выключатель S1 включен, а S2 отключен). Вольтметром V1 измерить напряжение в сети, а вольтметром V2 на зажимах генератора. Изменяя ток в обмотке возбуждения генератора i_в добиться их равенства.

Остальные условия параллельной работы проверяются при помощи специального прибора  синхроноскопа. В лабораторной работе используется простейший ламповый синхроноскоп (ЛС), Ламповый синхроноскоп состоит из 3 ламп и может быть включен на «ПОТУХАНИЕ» или на «ВРАЩЕНИЕ СВЕТА». При включении на «ПОТУХАНИЕ» каждая лампа присоединяется к зажимам одного и того же ножа выключателя S2, как показано на рисунке. В этом случае каждая лампа оказывается включенной на напряжение, равное геометрической разности . Если чередование фаз одинаково, то все три лампы будут гореть с одинаковым накалом (если частоты равны) или будут загораться и потухать одновременно (если частоты не равны). В момент, когда лампы погаснут, можно считать, что напряжения и будут совпадать по фазе. Если ламповый синхроноскоп включен на «ПОТУ­ХАНИЕ», а лампы горят с различным накалом или загораются и потухают неодновременно, это говорит о том, что чередование фаз генератора и сети неодинаково.

2.4. Порядок включения генератора на параллельную работу принимается следующий. Убедиться в том, что порядок чередования фаз генератора и сети одинаков. Достаточное равенство частот определяется по малой частоте мигания ламп (одно потухание в течение 3-5 с). Убедиться, что (при необходимости регулируем i_в). Замыкая выключатель S2 в момент, соответствующий ½ отрезка времени, когда лампы погаснут, подключить генератор к сети.

2.5. Изучить процесс регулирования активной мощности. При строгом выполнении условий параллельной работы при включении в сеть синхронный генератор работает практически вхолостую ( ). При необходимости изменяя сопротивление R_р (или R_п) двигателя постоянного тока, добиться равенства . Мощность измеряется ваттметром и равна

, Вт (1)

где  показания ваттметра.

Увеличивая момент, подводимый к синхронному генератору со стороны первичного двигателя (плавным уменьшением тока в обмотке возбуждения двигателя), убедиться по показаниям ваттметра, что мощность, отдаваемая генератором в сеть, увеличивается. В процессе опыта записать показания приборов в табл.1 (4-5 точек).

Таблица 1

№ п/п	Машина постоянного тока			Синхронная машина
	U, В	Iп, А	P=UI, Вт	I, А	Pw, Вт	, 	P2, Вт	cos
	Двигатель			Генератор
1
2
3
4
5
6
	Генератор			Двигатель
1
2
3
4
5
6

Примечания:

а) запрещается увеличивать мощность синхронного генератора сверх номинальной. При чрезмерном увеличении мощности синхронный генератор может "выпасть из синхронизма", что является аварийным режимом;

б) в процессе проведения опыта необходимо внимательно следить за тем, чтобы ток якоря машины постоянного тока (амперметр А5) не превышал допустимого значения.

В табл.1 записываются также показания угла нагрузки , Угол  это временный угол между векторами и . Этот угол можно считать равным пространственному углу между осью полюса ротора и осью результирующего магнитного поля в воздушном зазоре. Для измерения угла имеется специальное стробоскопическое устройство, состоящее из импульсного источника света и вращающего диска с изображением полюсов ротора, закрепленного на валу машины. Импульсным источником света является газоразрядная лампа, питающаяся от источника напряжения N. Напряжение на лампу подаётся выключателем «СТРОБ». После проведения опыта выключатель «СТРОБ» размыкается. Рядом с диском расположена неподвижная шкала, отградуированная в электрических градусах. Если вращающий диск освещать вспышками, частота которых равна частоте вращения, то полюса будут казаться неподвижными. В режиме холостого хода заметить на неподвижной шкале цифру, которая условно принимается за ноль. В этом случае ось полюса совпадает с осью результирующего поля и вектор совпадает с вектором (угол ). Относительно этого показания произвести отсчет. С увеличением внешнего момента на валу генератора ротор начинает опережать результирующее магнитное поле на угол , который отсчитывается по шкале (в режиме двигателя ротор будет отставать от результирующего поля).

2.6. Изучить принцип обратимости синхронных машин и машин постоянного тока. Для этого установить режим, когда мощность, отдаваемая синхронным генератором в сеть, равна нулю ( ) (п.3.5). Включить стробоскопическое устройство и убедиться, что . Плавно уменьшая ток в обмотке возбуждения двигателя постоянного тока, убедиться, что синхронная машина начинает отдавать в сеть активную мощность (показания ваттметра и угол увеличиваются) и, следовательно, работает генератором, а машина постоянного тока при этом работает в режиме двигателя.

Плавно увеличивая ток в обмотке возбуждения двигателя постоянного тока, снова установить режим, когда . Убедиться, что в обмотке возбуждения синхронной машины ток равен значению, записанному в табл.1.

Синхронная машина, как и машина постоянного тока, обратима, т.е. может работать не только генератором, но и двигателем. Для того, чтобы синхронный генератор перевести в двигательный режим необходимо поступить следующим образом. Убедившись по ваттметру, что , выключить выключатель S6 и реостат R_п поставить в положение «ХОД». Теперь машина постоянного тока отключена от сети и работает как генератор параллельного возбуждения. Напряжение на выходе генератора постоянного тока можно изменять реостатом R_р. По показаниям ваттметра убедиться, что синхронная машина потребляет активную мощность из сети, следовательно, работает в режиме двигателя. Ось полюса ротора в режиме двигателя отстаёт от оси результирующего магнитного поля, и угол становится отрицательным. Постепенно увеличивать момент на валу синхронной машины. Для этого на выходе машины постоянного тока (которая работает в режиме генератора) включить выключателем S5 нагрузочное сопротивление R_н. Увеличивая нагрузку, наблюдать за показаниями приборов, особенно внимательно за показателями стробоскопического устройства, ваттметра и амперметра в цепи машины постоянного тока. Следует обратить внимание на то, что ток в цепи якоря машины постоянного тока показывает отрицательное значение. Последнее означает, что машина постоянного тока не потребляет, а отдает электрическую мощность и, следовательно, работает в режиме генератора. В процессе опыта записать показания приборов и стробоскопического устройства во вторую часть табл.1.

По данным табл.1 построить угловую характеристику в тех же координатах, в которых она построена в п.3.5. Проанализировать полученные зависимости и убедиться, что синхронная машина и машина постоянного тока обратимы. Сформулировать условия, при которых синхронная машина работает генератором, а машина постоянного тока двигателем, и сформулировать условия, при которых они изменяют режим работы.

По данным табл.1 построить зависимости , и , а также угловую характеристику . Проанализировать полученные зависимости. Убедиться, что с увеличением мощности, подводимой к генератору со стороны первичного двигателя, увеличивается и активная мощность, отдаваемая генератором в сеть.

2.7. Изучить процесс регулирования реактивной мощности. В синхронном генераторе, работающем параллельно с сетью, кроме момента, подводимого к валу генератора со стороны первичного двигателя, можно регулировать еще и ток в обмотке возбуждения i_в. Особенностью работы синхронных машин является то, что при изменении i_в можно в широких пределах изменять реактивную мощность, отдаваемую в сеть, и реактивную составляющую тока якоря. Данный режим описывается так называемой U-образной характеристикой, представляющей собой зависимость

при ; ; .

Первую U-образную характеристику снять при . Для этого вначале установить режим холостого хода генератора ( ). Регулируя момент первичного двигателя реостатом R_в (или R_п), поддерживать . Плавно изменять ток i_в от наибольшего значения до нуля. При перевозбуждении ( ) синхронный генератор отдает реактивную мощность в сеть. Ток в обмотке якоря генератора опережает напряжение сети на 90°. При недовозбуждении ( ) синхронный генератор потребляет из сети реактивную мощность. Ток в обмотке якоря отстаёт от U на 90°. При проведении опыта показания i_в и I (8-10 точек) занести в табл.2.

Таблица 2

№ п/п	Р2 = 0		Р2 = 0,5
	iв, А	I, А	iв, А	I, А	cos
1
2
3
4
5
6

Примечание: f = 50 Гц; ;U_ф = .

При снятии U-образной характеристики при необходимо предварительно нагружать генератор на соответствующую мощность (п.3.5). Методика снятия характеристики такая же, как и при , но ток в обмотке возбуждения до нуля не уменьшается (ограничением является следующее условие ). По данным табл. 2 построить характеристики. Объяснить вид кривых.

В заключение отчета необходимо сформулировать выводы в виде ответов на следующие вопросы:

1. Для каких целей применяется параллельная работа синхронных генераторов?

2. Каким образом регулируется активная мощность, отдаваемая синхронным генератором в сеть?

3. Как регулируется реактивная мощность?

4. Какая реактивная составляющая тока возникает в обмотке якоря при недовозбуждении и какая при перевозбуждении? Объяснить физическую картину процесса?

5. Сформулировать условия, при которых синхронная машина работает генератором, а машина постоянного тока двигателем? Что должно измениться, чтобы синхронная машина перешла в двигательный режим, а машина постоянного тока в генераторный?