Лекции

Пусть нагрузка чисто активная. Тогда токи в фазах, т.е. обмотках, совпадают по направлению с ЭДС. В этом случае имеем симметричную трехфазную систему токов:

По закону электромагнитных сил на проводник с током, находящийся в магнитном потоке, действует электромагнитная сила Fэм. Направление этой силы определяется по правилу левой руки.

Со стороны статора на ротор будет действовать такая же сила, но обратного направления, в этом случае равновесие сил будет соблюдаться.

Электромагнитная сила Fэм, действующая на ротор, создает электромагнитный момент, направленный против вращения ротора. Значит, электромагнитный момент в СГ является тормозным. Он тем больше, чем больше отбирается ток или электрическая мощность от генератора.

Под действием электромагнитного тормозного момента Мэм ротор стремится затормозиться, но частота индуктируемого напряжения должна сохраняться неизменной для нормальной работы потребителя. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо увеличивать момент внешнего двигателя Мвд, например, подачей большего количества топлива, если ВД является двигателем внутреннего сгорания.

Имеются специальные регуляторы частоты вращения, поддерживающие частоту вращения ротора постоянной.

В статоре трехфазной обмотки протекает трехфазный ток. Он создает вращающийся магнитный поток Фа. Этот поток называется потоком реакции статора (якоря). Направление потока реакции якоря определяется по правилу правого буравчика. Очевидно, что поток реакции якоря Фа будет вращаться в сторону вращения ротора со скоростью, равной скорости вращения ротора: частота индуктируемой ЭДС в якоре

Действительно, n1 = n2 , т.е. скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного потока статора, отсюда и название синхронный генератор.

При нагрузке генератора скорости ротора и потока реакции якоря остаются неизменными. Увеличивается только пространственный угол нагрузки между осями полюсов ротора и полюсов результирующего магнитного потока статора.

Ведущим звеном при электромагнитном преобразовании энергии является ротор, т.е. полюс ротора идет впереди полюса результирующего магнитного

81

Из векторной диаграммы видно, что продольная составляющая потока реакции якоря направлена против основного потока ротора Ф0 и она является размагничивающей. В целом же реакция якоря является продольно-поперечной, размагничивающей.

82

3.5.УРАВНЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ ЭДС

Всинхронном генераторе имеются три переменных магнитных потока для проводника статорной обмотки. Это основной поток Ф0 , поток реакции

якоря Фа и поток рассеяния Фаσ . Два потока Ф0 и Фа – это вращающиеся магнитные потоки, а Фаσ – создается током статора, является пульсирующим и

его магнитные линии замыкаются вокруг проводников статорной обмотки, не сцепляясь с ротором (рис. 3.7). С точки зрения ин- Фaσ дуктирования ЭДС безразлично вращается или пульсирует поток. Главное, что изменяется потокос-

цепление потока с проводником во времени. Учтем, что

где E0 – ЭДС холостого хода.

Кроме этого фаза статора обладает активным сопротивлением ra, имеется нагрузка, обладающая активным сопротивлением rн или комплексным сопротивлением zн. При протекании тока имеют место падения напряжения на активном сопротивлении фазы статорной обмотки Ia. ra; – падение напряжения;

I a zн =U – напряжение нагрузки.

Для простоты будем считать, что ra = 0. Тогда уравнение равновесия ЭДС фазы статора записанное по второму закону Кирхгофа будет иметь вид

Известно, что ЭДС уравновешивается соответствующими падениями напряжения на индуктивных сопротивлениях, т.е.

83

где Xad – продольное индуктивное сопротивление якоря, обусловленное потоком

где Xaq – поперечное индуктивное сопротивление якоря.

где Xaσ – индуктивное сопротивление рассеяния фазы якоря.

С учетом этих формул уравнение равновесия ЭДС генератора будет

3.6. ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА СИНХРОННОГО ЯВНОПОЛЮСНОГО ГЕНЕРАТОРА

Предположим, что ra = 0 и нагрузка активно-индуктивная. При этих условиях векторная диаграмма будет иметь вид, представленный на рис. 3.8:

Рис. 3.8. Векторная диаграмма синхронного явнополюсного генератора

где ϕ – угол нагрузки между напряжением U и током Ia; θ – электрический угол нагрузки (угол между Е0 и U). С изменением нагрузки угол θ будет изменяться, соответственно будет меняться угол ψ между Е0 и Ia.

84

3.7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И СИНХРОНИЗИРУЮЩИЕ МОЩНОСТИ (МОМЕНТЫ) СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Если пренебречь потерями мощности внутри генератора, то можно считать, что электромагнитная мощность равна выходной мощности.

где Xq =(Xaq + Xaσ) – поперечное индуктивное синхронное сопротивление якоря.

где Xd =(Xad + Xaσ) – продольное индуктивное синхронное сопротивление якоря. С учетом этого электромагнитная мощность

Подставляя найденные составляющие тока в (3.16), получим выражение для электромагнитной мощности:

Таким образом, электромагнитная мощность зависит от электрического угла нагрузки; θ и Рэм(θ) – это угловая характеристика синхронного генератора. В этом выражении первое слагаемое обусловлено возбужденностью ротора – наличием Е0, является основной составляющей, пропорциональной sin θ.

85

Второе слагаемое обусловлено неодинаковостью поперечного и продольного синхронных сопротивлений генератора Xq и Xd, а это в свою очередь вызвано неодинаковостью магнитных проводимостей по осям q и d – Λad > Λaq. Продольная проводимость Λad больше поперечной Λaq, т.к. зазор между полюсами меньше, чем в промежутке между ними:

Второе слагаемое в выражении для электромагнитной мощности называется реактивной мощностью синхронного генератора, оно пропорционально sin2θ и по величине может составлять около 20% от первого слагаемого.

Синхронизирующая мощность – это производная от электромагнитной мощности по электрическому углу нагрузки. Она равна

= Pэмсх1 + Pэмсх2 .

Синхронизирующая мощность характеризует синхронизацию ротора (установление синхронной скорости) при внезапных изменениях нагрузки на генераторе. При набросах и сбросах нагрузки ротор СГ начинает качаться и поэтому синхронизирующая мощность Рэмсх или синхронизирующий момент, характеризующий степень успокоения ротора.

Электромагнитный момент СГ:

3.8. УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Это зависимость электромагнитной мощности от электрического угла нагрузки θ (рис. 3.10).

86

Pэм1

Рэм2

π 2π

0

Рис. 3.10. Угловая характеристика синхронного генератора

Из рис. 3.10 видно, что предельный угол нагружения θ<90 электрических градусов или меньше π/2. При дальнейшем увеличении θ электромагнитная мощность Рэм уменьшается и СГ выходит из синхронизма. Для того чтобы иметь запас по θ, обычно максимальный угол нагрузки не превышает 45о. При этом в диапазоне θ от 0 до 45о Рэмсх1 имеет достаточно высокое значение (жирный пунктир на рис. 3.10).

Сравнивая угловую зависимость электромагнитного момента синхронного генератора (рис. 3.11) с механической характеристикой асинхронного двига-

Мmax/Мн – перегрузочная способность синхронного генератора (рис. 3.11.). Чем она выше, тем выше устойчивость генератора при заданной величине активной мощности, отдаваемой в сеть. Мmax можно увеличить, увеличивая Е0, т.е. увеличивая ток возбуждения генератора Iв.

3.9. ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

87

3.10. УСЛОВИЯ ВКЛЮЧЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ С СЕТЬЮ

Большей частью СГ работают не автономно каждый на свою нагрузку, а параллельно на общую нагрузку. При этом возникает необходимость включения СГ на сеть и нагружение СГ активным, реактивным или активно-реактивным током. Электрическая схема синхронизации СГ с сетью в условиях учебной лаборатории представлена на рис. 3.13:

Схема синхронизации состоит из трехфазной сети А, В, С с нагрузкой zA, zB, zC, параллельно которой нужно подключить СГ.

СГ имеет обмотку возбуждения на роторе ОВ, напряжение на которой можно регулировать потенциометром П. Статорная обмотка с клеммами Аг, Вг, Сг включена на трехфазный рубильник Р. Вольтметр V2 контролирует линейную ЭДС генератора Е0. Другие клеммы рубильника Р включены на клеммы Ас, Вс, Сс сети. На клеммы сети и генератора включены лампы синхроноскопа ЛС.

88

Рис. 3.13. Электрическая схема синхронизации СГ с сетью

Пусть ротор СГ приводится во вращение вспомогательным двигателем ВД – двигателем постоянного тока с параллельным возбуждением. Реостат Rря служит для пуска ВД и регулирования частоты вращения в сторону уменьшения, а реостат Rрв – для регулирования в сторону увеличения. Лампы синхроноскопа включены на разность фазовых величин Е0А и UА.

Прежде чем замкнуть рубильник Р и включить СГ на сеть нужно выполнить следующие условия:

1)чтобы порядок чередования фаз СГ и сети был одинаков – в этом случае лампы синхроноскопа будут загораться и потухать одновременно;

2)чтобы ЭДС включаемого генератора равнялось напряжению сети

Е0=Uс; ЭДС Е0 регулируется при изменении тока возбуждения генератора потенциометром П и, следовательно, соответствующего регулирования магнитного потока ротора;

3)чтобы частота ЭДС генератора и частота сети были равны, .т.е. fг = fс; частота ЭДС генератора регулируется изменением частоты вращения ВД;

4)чтобы фазовая ЭДС СГ Е0 и напряжение сети Uс были в противофазе по отношению друг к другу и в фазе по отношению к общей нагрузке.

При выполнении всех этих или близких им условий лампы синхроноскопа начинают медленно загораться и одновременно медленно гаснуть и в момент потухания ламп рубильник Р включает СГ в сеть. При этом никакого тока через СГ нет.

Если считать контур синхронный генератор – сеть чисто индуктивным, то ток для неявнополюсного генератора можно записать в виде:

89

Действительно, при включении имеем Е0 = Uс и Iа = 0 (рис. 3.14, а). Этому соответствует некий ток возбуждения (номинальный ) Iвн, который обеспечивает Е0. Поскольку Uc=const, то ток Iа можно изменять двумя способами: изменяя Е0 по величине или фазе.

Если будем перевозбуждать генератор, т.е. увеличивать ток возбуждения и Е0, то генератор будет нагружаться индуктивным током (рис. 3.14, б), а если недовозбуждать, то он будет нагружаться емкостным током (рис. 3.14, в). Таким образом, изменяя ток возбуждения, можно нагружать генератор реактивным током.

Рис. 3.14. Векторные диаграммы СГ при нагружении его реактивным током

3.11. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУСК СИНХРОНННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Если трехфазный статор синхронного двигателя (СД) подключить к трехфазной сети, то в статоре образуется магнитный поток, вращающийся со скоростью

n1 = 60p f1

90