Контрольные вопросы для домашней подготовки

1. Устройство, принцип действия и области применения синхронных машин?

2. Характеристики синхронного генератора, работающего на индивидуальную нагрузку?

3. Реакция якоря синхронного генератора?

4. Объяснить, почему индукционная нагрузочная характеристика расположена ниже характеристики холостого хода? Объяснить вид этих характеристик?

5. Объяснить вид внешних характеристик? Как будет изменяться вид внешних характеристик, если характер нагрузки будет активным, активно-индуктивным, активно-емкостным? Какая величина называется номинальным изменением напряжения?

6. Объяснить вид регулировочных характеристик? Как зависит процентное изменение тока возбуждения i_в , необходимое для поддерживания номинального напряжения при переходе от холостого хода к номинальному току нагрузки, от характера нагрузки (активная, активно-индуктивная, активно-емкостная)?

7. Почему характеристика короткого замыкания линейна? Объясните, почему при токи трех-, двух- и однофазного короткого замыкания находятся в отношении ?

8. Что называется отношением короткого замыкания?

9. Каков порядок пуска в ход двигателя постоянного тока параллельного, возбуждения?

10. Как регулировать частоту вращения двигателя постоянного тока?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

ТРЕХФАЗНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить параметры синхронных машин и методы их опытного определения.

1.2. Определить из данных опытов основные параметры синхронного генератора.

1.3. Построить векторную диаграмму синхронного генератора.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ

Испытаниям подвергается синхронная явнополюсная ма­шина.

Параметрами синхронных машин называются активные и индуктивные сопротивления обмоток. Параметры имеют важное значение, так как позволяют рассчитать поведение синхронной машины в различных режимах работы и построить векторные диаграммы.

Основными параметрами синхронных явнополюсных машин в установившемся режиме работы являются:

r  активное сопротивление обмотки якоря, Ом;

x_d  синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси якоря, Ом;

x_q  синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси якоря, Ом;

x_ad  индуктивное сопротивление продольной реакции якоря;

x_aq  индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря;

x_  индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря, Ом;

x₁  индуктивное сопротивление прямой последовательности, Ом;

x₂  индуктивное сопротивление обратной последовательности, Ом;

x₀  индуктивное сопротивление нулевой последовательности, Ом;

о.к.з.  отношение короткого замыкания.

Для сравнения синхронных машин, выполненных на различные напряжения и мощности, используется система относительных единиц.

Основные параметры могут быть определены непосредственно из опыта или из основных характеристик синхронного генератора, полученных в предыдущей лабораторной работе № 11.

3. Порядок выполнения работы

3.1. Измерить активное сопротивление обмотки якоря в практически холодном состоянии одним из методов, применяемых в лаборатории.

За активное сопротивление фазы принимают

, Ом или , о.е. (1)

где r₁, r₂, r₃  сопротивления отдельных фаз обмотки статора.

3.2. Определить синхронные индуктивные сопротивления x_d и x_q методом скольжения.

Для проведения опыта необходимо собрать схему (рис.1).

Рис. 1

Схема двигателя аналогична схеме, приведенной в описании лабораторной работы № 11. На стенде схема двигателя собрана.

К обмотке якоря синхронного генератора подводится пониженное напряжение от индуктивного регулятора (ИР), Для этого ИР устанавливается в положение минимального напряжения. Обмотка возбуждения замыкается накоротко выключателем S2.

Синхронный генератор приводится во вращение с частотой, близкой к синхронной, при помощи двигателя постоянного тока. Пуск двигателя осуществляется выключателем S3. Перед включением необходимо убедиться, что сопротивление регулировочного реостата равно нулю. Пусковой реостат установлен в положение «СТОП». Включаем S3 и медленно (за 2-4 с) поворачиваем ручку реостата из положения «СТОП» с положение «ХОД». При этом происходит пуск двигателя.

Частота вращения двигателя отсчитывается по прибору «n» и регулируется плавным изменением сопротивления регулировочного реостата R_р.

Прежде чем проводить опыт скольжения, необходимо убедиться, что направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля, созданного током в обмотке якоря. Для этого при отключенном двигателе постоянного тока и замкнутом выключателе S2 подать напряжение к обмотке якоря, замыкая выключатель SI.

При достаточной величине напряжения, которое регулируется ИР, синхронный генератор придет во вращение как асинхронный двигатель. Заметить направление вращения ротора. Отключись генератор от сети.

Кратковременно пустить в ход двигатель постоянного тока и тоже заметить направление вращения. Для проведения опыта скольжения необходимо, чтобы вращение ротора от приводного двигателя и от асинхронного момента совпадали. В противном случае нужно изменить порядок чередования фаз обмотки якоря синхронной машины (две фазы поменять местами) и для полной уверенности опыт повторить еще раз.

Убедившись в одинаковом направлении вращения поля якоря и ротора, провести опыт скольжения. Для этого привести ротор генератора во вращение (пуская в ход двигатель постоянного тока). К обмотке якоря генератора подвести напряжение такой величины, чтобы максимальное значение тока в обмотке якоря было бы не больше номинального, а стрелки вольтметра V1 и амперметра А1 колебались с минимальной частотой. Частота вращения регулируется плавным изменением тока в обмотке возбуждения двигателя постоянного тока. Если в процессе опыта колебание стрелок приборов V1 и А1 прекращается, то это указывает на втягивание ротора в синхронизм под влиянием реактивного момента (момента явнополюсности). В этом случае следует понизить подводимое к обмотке якоря напряжение до тех пор, пока стрелки приборов не начнут периодически колебаться.

Убедившись в соблюдении всех требований, разомкнуть выключатель S2 и наблюдать показания приборов V1 и А1. Записать крайние одновременные показания стрелок приборов U_max, U_min, I_min, I_max, в табл. 1.

Таблица 1

Umax, В	Imin, А	xd, Ом	Umin, В	Imax, А	xq, Ом

Примечание:

Внимание! Опыт скольжения выполняется при разомкнутой обмотке возбуждения, но каждый раз после окончания опыта необходимо замкнуть выключатель S2 во избежание повреждения обмотки возбуждения высоким напряжением.

Наибольшему отклонению стрелки вольтметра V1 соответствует наименьшее отклонение стрелки амперметра А1, и наоборот. Объясняется это следующим. Когда ось полюсов ротора (d) совпадает с осью поля, магнитное сопротивление потоку будет минимальным, а индуктивное сопротивление обмотки якоря  максимальным и равным

, Ом (2)

Когда ось междуполюсного пространства (q) совпадает с осью поля якоря, магнитное сопротивление потоку будет максимальным, а индуктивное сопротивление обмотки якоря  минимальным и равным

, Ом (3)

где U_ф, I_ф  фазовые значения величин.

При вычислении x_d, x_q активным сопротивлением обмотки якоря пренебречь ввиду того, .

Вследствие инерции стрелок (подвижной части) электроизмерительных приборов величины x_d и x_q вычисляются с заметными ошибками. Поэтому из опыта обычно находится отношение

, (4)

Более точные результаты могут быть вычислены при осциллографировании тока и напряжения.

Определение синхронных индуктивных сопротивлений x_d и x_q по характеристикам холостого хода (х.х.х.) и короткого замыкания (х.к.з.) рассмотрено в п.3.5.

3.3. Определить индуктивное сопротивление обратной последовательности.

Для опыта используется схема, приведенная на рис.1. Обмотка возбуждения замкнута накоротко, а ротор вращается в направлении, противоположном вращению магнитного поля якоря. Для этого после опыта скольжения необходимо поменять местами два любых провода, присоединенных к зажимам обмотки якоря. Данный опыт называется опытом вращения ротора против поля.

Пустить в ход двигатель постоянного тока. Установить ИР в положение минимального напряжения и включить выключатель S1. Регулировать напряжение так, чтобы ток якоря составлял . Измерить и записать показания V1 и A1.

Среднее значение индуктивного сопротивления обратной последовательности равно

, Ом (5)

или , о.е. (6)

Результаты измерений и расчетов занести в табл.2.

Таблица 2

U, В	I, А	, Ом	, Ом	Uн = , В; Iн = , А;
				nн = , об/мин

Осциллографируя кривые и , можно определить мгновенные значения x₂, которые изменяются от максимума до минимума в зависимости от взаимного расположения осей полюсов ротора и вращающегося поля якоря.

Обычно и . Объясняется это тем, что токи, индуктируемые в обмотке возбуждения, массиве ротора и демпферной обмотке (если она есть), создают свои МДС, которые препятствуют проникновению поля якоря в ротор, вследствие чего магнитное сопротивление повышается, а индуктивное сопротивление уменьшается.

При вычислении x₂ активным сопротивлением обратной последовательности пренебречь.

Определение x₂ по данным опытов холостого хода и короткого замыкания рассмотрено в п.3.5.

3.4. Определить индуктивное сопротивление нулевой последовательности.

Для опыта используется схема, приведенная на рис.1, но обмотка якоря соединяется по схеме, приведенной на рис.2.

Рис. 2

Двигатель пускается в ход с номинальной частотой вращения. Устанавливается минимальное напряжение ИР, и включается выключатель S1. Напряжение ИР регулируется так, чтобы . Индуктивное сопротивление нулевой последовательности (без учета активного сопротивления нулевой последовательности) вычисляется по формуле

, Ом (7)

или , о.е. (8)

Данные опытов и вычислений заносятся в табл.3.

Таблица 3

U, В	I, А	, Ом	, Ом	Uн = , В; Iн = , А;
				nн = , об/мин

Определение x₀ по данным опытов холостого хода и короткого замыкания рассмотрено в п.3.5.

3.5. Определить x_d, о.к.з., x_q, x₁, x₂, x₀ из данных опытов холостого хода и короткого замыкания.

Для определения указанных параметров в одних и тех же координатах построить характеристики холостого хода, характеристики трёх-, двух- и однофазного короткого замыкания (рис.3).

Рис. 3

Данные для построения этих характеристик были получены при выполнении предыдущей работы (испытание трехфазного синхронного генератора при работе на автономную нагрузку).

3.5.1. Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси x_d.

По рис. 3 для тока в обмотке возбуждения i_в, соответствующего по х.х.х. , по х.х.х. ненасыщенного генератора (прямолинейная часть характеристики или её продолжение), находится E₀ и по характеристике трехфазного короткого замыкания ток I_к.з.

Синхронное индуктивное сопротивление вычисляется по формуле

, Ом (9)

или , о.е. (10)

3.5.2. Отношение короткого замыкания (о.к.з.).

Отношением короткого замыкания называется отношение установившегося тока трехфазного короткого замыкания I_к.з. при токе возбуждения, который при холостом ходе и даёт к номинальному току:

, (11)

3.5.3. Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси x_q.

Величина x_q определяется по равенству

, (12)

где берется из табл.1.

3.5.4. Синхронные индуктивные сопротивления прямой x₁, обратной x₂ и нулевой последовательности x₀.

Определяются по данным рис.3.

, Ом; , о.е. (13)

, Ом; , о.е. (14)

, Ом; , о.е. (15)

Здесь значения , , , взяты при одном токе возбуждения.

Из рассмотренных данных можно определить отношение токов коротких замыканий:

, (16)

Сравнить рассчитанные здесь значения параметров с определенными в предыдущих пунктах.

3.6. Определить расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря по данным опытов x_р (x_р применяют при построении векторной диаграммы синхронной машины). Его часто называют индуктивным сопротивлением Потье. Значение сопротивления x_р близко к значению индуктивного сопротивления рассеяния обмотки якоря x_. Величина x_р определяется на основании характеристик холостого хода, трехфазного короткого замыкания и индукционной нагрузочной. Данные для построения этих характеристик были получены при выполнении предыдущей лабораторной работы № 11.

В прямоугольной системе координат построить характеристику холостого хода (1 и индукционную нагрузочную (2) (рис.4).

Рис.4

Начальную (прямолинейную) часть индукционной нагрузочной характеристики продолжить до точки b.

На индукционной нагрузочной характеристике взять точку b, соответствующую номинальному напряжению. Влево отложить отрезок . Из точки провести прямую, параллельную прямолинейной части х.х.х., до пересечения с х.х.х. в точке c . Из точки c опустить перпендикуляр к . Величина x_р вычисляется по формуле

, Ом (17)

или , о.е. (18)

где ca  измеряется в масштабе U в вольтах;

I  ток якоря, при котором снималась индукционная нагрузочная характеристика.

3.7. Построить векторную диаграмму синхронного явнополюсного генератора с учетом насыщения.

На практике с помощью векторной диаграммы часто определяют повышение напряжения синхронного генератора при сбросе нагрузки. Данные для построения векторной диаграммы взять из табл.3, при предыдущей работы № 11. Для построения использовать наибольший из опыта ток и полученное при этом токе напряжение. Векторная диаграмма строится так (см.рис. 5,а):

Рис. 5

По оси ординат отложить вектор напряжения в масштабе мм. Нагрузка активно-индуктивная, . Отложить в произвольном масштабе вектор тока под углом к вектору напряжения, например, мм. Из конца вектора отложить . Падением напряжения в активном сопротивлении пренебречь. Определить величину и сравнить её с . Получить вектор ЭДС , созданный результирующим потоком в воздушном зазоре.

Из точки А отложить вектор , равный по величине ЭДС, индуктируемой результирующим магнитным потоком якоря по поперечной оси. Обычно считают, что магнитная цепь по поперечной оси не насыщена, или насыщение учитывается приближенно. Соединить точки О и F прямой, которая определяет направление вектора ЭДС холостого хода , угол  и составляющую тока , . Из точки В опустить перпендикуляр на OF; получаем и . ЭДС индуктируется в обмотке якоря результирующим магнитным потоком по продольной оси. Из точки А опустить перпендикуляр на OF и из полученной точки К отложить отрезок , где . Отрезок ОМ соответствует ЭДС E₀. Для определения тока возбуждения для выбранных значений I и U построить характеристику холостого хода (табл.1, лабораторная работа № 11) и выполнить построения, показанные на рис. 5,б. По результатам построений найти i_вн и процентное повышение напряжения при сбросе нагрузки от I до по формуле

, % (19)

Из векторной диаграммы получим

, Ом (20)

, о.е. (21)

Сравнить полученные значения U и i_в.н с опытными данными этих величин из табл.3 лабораторной работы № 11.

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

1. Какие параметры характеризуют установившийся режим работы синхронного генератора: при симметричной нагрузке и при несимметричной нагрузке?

2. Почему активное сопротивление обмотки якоря измеряют с помощью постоянного тока?

3. Почему в синхронных явнополюсных машинах (т.е. )?. Сравнить между собой сопротивления, определенные из опыта скольжения и по х.х.х. и х.к.з.

4. Объяснить, почему в синхронном генераторе ? Сравнить между собой параметры x₂ и x₀, определенных непосредственно из опытов х.х. и к.з.?

5. Как изменится величина U в синхронном генераторе с насыщенной магнитной цепью по сравнению с генератором с ненасыщенной магнитной цепью?