Электромеханика ЛР3-4

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

Кафедра «Электромеханика и автомобильное электрооборудование»

Лабораторная работа №2

«Исследование синхронного генератора, работающего параллельно с сетью»

Выполнил:

студент 3-ЭТФ-101 В.Н. Безъязыков

Принял:

доцент., к.т.н Д.Г. Рандин

Самара 2024

Цель работы - овладение практическими навыками подключения синхронного генератора к сети и экспериментального определения угловых, V- образных характеристик синхронного генератора при его параллельной работе с сетью.

Программа работы

1. Изучить устройство и принцип действия синхронного генератора. Осуществить подключение генератора к сети методами точной синхронизации и самосинхронизации.

2. Определить угловые характеристики модности синхронного генератора.

3. Определить V-образные характеристики синхронного генератора.

Таблица 1

Паспортные данные

Синхронная машина
Номинальная активная мощность, Вт	100
Номинальное напряжение, В	230
Схема соединения обмоток статора	Y
cosϕN	1
Номинальный ток статора, А	0,26
Ток возбуждения холостого хода, А	1.6
Номинальное напряжение возбуждения, В	22
Номинальный ток возбуждения, А	1,85
Направление вращения	любое
Номинальная частота вращения, об/мин	1500
Сопротивление обмотки возбужде­ния, Ом	12.2
Машина постоянного тога (тип 101.2)
Номинальная мощность, Вт	90
Номинальное напряжение якоря, В	220
Номинальный ток якоря, А	0,56
Номинальная частота вращения, мин	1500
Возбуждение	Независимое / параллельное/ последовательное
Номинальное напряжение возбуждения, В	220
Номинальный ток обмотки возбуждения. А	0.2
КПД, %	57.2
Направление вращения	реверсивное
Режим работы	Двигательный/генераторный

1. Подключение синхронного генератора к сети:

1.1. Методом точной синхронизации.

Рис. 1. Электрическая схема соединений для опыта подключения синхронного генератора к сети методом точной синхронизации.

Таблица 2

Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник пита­ния	201.2	⁓400 В/ 16 А
G2	Источник питания двигателя постоянного тока	206.1	- 0...250 В / 3 А (якорь) / - 200 В /1 А (возбуждение)
G3	Возбудитель синхронной машины	209.2	- 0...40 В / 3,5 А
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	6 вых. каналов / 2500 импульсов за оборот
G6	Машина переменного тока	102.1	100 Вт/⁓230 В/ 1500 мин
М2	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт/220 В/ 0,56 А (якорь) / 2x110 В/0,25 А (возбуждение)
А2	Трёхфазная трансформатор­ная группа	347.1	3x80 В•А; 230 В/242,235, 230,226,220, 133,127 В
А6	Трехполюсный выключа­тель	301.1	⁓400 В/10 А
А17	Блок синхронизации	319	-400 В; 2 А; 3 индикаторные лампы; синхроноскоп
Р2	Измеритель мощностей	507.2	15; 60; 150; 300; 600 В/ 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
РЗ	Указатель частоты враще­ния	506.2	-2000...0...2000 об/мин
Р4	Измеритель напряжений и частот	504.1	⁓0...500 В; 1 45...55 Гц,⁓220 В

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 1. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 2. Условия синхронизации представлены в таблице 3. Согласно методическим указаниям произведено включение синхронного генератора на параллельную работу с сетью методом точной синхронизации.

Таблица 3

Условие	Средство контроля	Критерий выполнения условия	Критерий невыполнения условия	Рекомендации по выполне­нию условия
Равенство напряжений синхронного генератора и сети	Вольтметры со стороны синхронно­го генера­тора и сети	Напряжения со стороны синхронного генератора и сети равны	Напряжения со стороны синхронного генератора и сети не равны	Регулировать напряжение возбуждения синхронного генератора до момента выравнивания напряжений со стороны синхронного генератора и сети
Одинаковое чередование фаз напряжений синхронного ге­нератора и сети.	Лампы в разрывах фаз	Лампы в фа­зах: перио­дически од­новременно загораются и гаснут (частоты напряжений не равны); горят (напряжении в противофазе); не горят (напряжения синфазные)	Лампы в фазах периодически не одновре­менно загора­ются и гаснут, создавая эффект «кругового огня»	Переключить любые две фазы синхронного генератора
Равенство частот синхронного генератора и сети	Лампы в разрывах фаз или синхроноскоп	Лампы в фазах горят постоянно без мерцания (напряжения в противофазе) или не горят (напряжения синфазные); стрелка синхроноскопа неподвижна	Лампы и фазах загораются с частотой скольжения; стрелка син­хроноскопа вращается	Регулировать частоту вра­щения син­хронного ге­нератора
Синфазность напряжений синхронного генератора и сети	Лампы в разрывах фаз или синхроноскоп	Лампы в фазах не горят; стрелка синхроноскопа смотрит вверх	Лампы в фазах горят; стрелка синхроноскопа не смотрит вверх	Регулировать частоту вра­щении син­хронного ге­нератора до погасания ламп

Вывод: достоинство точной синхронизации состоит в том, что включение генератора, как правило, не сопровождается большими толчками тока и длительными качаниями. Вместе с тем жесткие требования, предъявляемые условиями точной синхронизации, делают ее более сложной и длительной операцией.  Особенно это относится к аварийным условиям, когда вследствие резких колебаний частоты и напряжения становится практически невозможным точное уравнивание частот и напряжений синхронизируемого генератора и сети.

1.2. Методом точной синхронизации.

Рис. 2. Электрическая схема соединений для опыта подключения синхронного генератора к сети методом самосинхронизации.

Таблица 4

Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник пита­ния	201.2	⁓400 В/ 16 А
G2	Источник питания двигателя постоянного тока	206.1	- 0...250 В / 3 А (якорь) / - 200 В /1 А (возбуждение)
G3	Возбудитель синхронной машины	209.2	- 0...40 В / 3,5 А
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	6 вых. каналов / 2500 импульсов за оборот
G6	Машина переменного тока	102.1	100 Вт/⁓230 В/ 1500 мин
М2	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт/220 В/ 0,56 А (якорь) / 2x110 В/0,25 А (возбуждение)
А2	Трёхфазная трансформатор­ная группа	347.1	3x80 В•А; 230 В/242,235, 230,226,220, 133,127 В
А6	Трехполюсный выключа­тель	301.1	-400 В/10 А
А9	Реостат для цепи ротора машины переменного тока	307.1	3x0…40 Ом/1 А
А17	Блок синхронизации	319	⁓400 В; 2 А; 3 индикаторные лампы; синхроноскоп
Р2	Измеритель мощностей	507.2	15; 60; 150; 300; 600 В/ 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
РЗ	Указатель частоты враще­ния	506.2	-2000...0...2000 об/мин

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 2. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 4. Согласно методическим указаниям произведено включение синхронного генератора на параллельную работу с сетью методом самосинхронизации.

Вывод: основными достоинствами способа самосинхронизации является ускорение процесса синхронизации и его сравнительная простота, вследствие чего он легко может быть автоматизирован. Преимущества самосинхронизации особенно важны в аварийных условиях при значительных колебаниях частоты и напряжения в энергосистеме. Недостатком способа самосинхронизации следует считать сравнительно большие толчки тока в момент включения, при этом подгорают контакты выключателей и подвергаются дополнительным динамическим усилиям обмотки генераторов и трансформаторов.

2. Снятие угловых характеристик P=f(θ), Q=f(θ), I₁=f(θ), cosϕ=f(θ) синхронного генератора.

Рис. 3 Электрическая схема соединений для снятия угловых и V-образный характеристик.

Таблица 5

Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник пита­ния	201.2	⁓400 В/ 16 А
G2	Источник питания двигателя постоянного тока	206.1	- 0...250 В / 3 А (якорь) / - 200 В /1 А (возбуждение)
G3	Возбудитель синхронной машины	209.2	- 0...40 В / 3,5 А
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	6 вых. каналов / 2500 импульсов за оборот
G6	Машина переменного тока	102.1	100 Вт/⁓230 В/ 1500 мин
М2	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт/220 В/ 0,56 А (якорь) / 2x110 В/0,25 А (возбуждение)
А2	Трёхфазная трансформатор­ная группа	347.1	3x80 В•А; 230 В/242,235, 230,226,220, 133,127 В
А6	Трехполюсный выключа­тель	301.1	-400 В/10 А
А14	Линейный реактор	314.2	3x0,3 Гн/0,5 А
А17	Блок синхронизации	319	⁓400 В; 2 А; 3 индикаторные лампы; синхроноскоп
Р2	Измеритель мощностей	507.2	15; 60; 150; 300; 600 В/ 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
РЗ	Указатель частоты враще­ния	506.2	-2000...0...2000 об/мин
Р4	Измеритель напряжений и частот	504.1	⁓0...500 В; 1 45...55 Гц,⁓220 В
Р5	Указатель угла нагрузки синхронной машины	505.2	-180°…0…180°

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 3. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 5. Снятые опытные данные, приведены в таблице 6.

Затем, опираясь на данные таблицы 6, были построены графики зависимости P=f(θ), Q=f(θ), I₁=f(θ), cosϕ=f(θ) синхронного генератора.

Таблица 6

θ, град	6	15	27	32	42
P, Вт	5	10	15	20	25
Q, Вар	20	20	24,50	23	25
I1, А	0,08	0,1	0,13	0,16	0,19
U1, В	142	141,9	142	141,8	141,9
cosϕ	0,243	0,447	0,522	0,656	0,707

Рис.4. Зависимость P=f(θ). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.5. Зависимость Q=f(θ). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.6. Зависимость I₁=f(θ). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис.7. Зависимость cosϕ=f(θ). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Вывод: угловая характеристика дает возможность оценить эксплуатационные качества синхронной машины при работе ее параллельно с сетью. Угловая характеристика активной мощности показывает, что активная мощность генератора линейно возрастает с увеличением угла нагрузки δ до определенного значения. - Максимальная активная мощность достигается при угле нагрузки δ ≈ 90°. Угловая характеристика реактивной мощности демонстрирует, что реактивная мощность сначала возрастает с увеличением угла нагрузки δ, достигая максимума при δ ≈ 90°. - После этого реактивная мощность начинает снижаться при дальнейшем увеличении угла нагрузки. Существует предельное значение угла нагрузки δ, при котором генератор теряет синхронизм и выпадает из параллельной работы с сетью. Это предельное значение угла нагрузки δ ≈ 90° является границей устойчивой работы генератора.

3. Снятие U-образной характеристики I₁=f(I_f) при P=10Вт=соnst, U=230В=соnst трехфазного синхронного генератора.

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 3. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 5. Снятые опытные данные, приведены в таблице 7.

Затем, опираясь на данные таблицы 7, были построены графики зависимости I₁=f(I_f) при P=10Вт=соnst, U=230В=соnst трехфазного синхронного генератора.

Таблица 7

If, A	1	1,29	1,58	1,89	1,91	2	2,28	2,5	2,75
I1, A	0,2	0,14	0,08	0,04	0,04	0,04	0,09	0,14	0,19

Рис.8. Зависимость I₁=f(I_f). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Вывод: степень возбуждения влияет только на реактивную составляющую тока статора, в то время как активная составляющая остаётся неизменной.

U-образные характеристики показывают, что любой нагрузке генератора соответствует такое значение тока возбуждения, при котором ток статора становится минимальным и равным только активной составляющей. В этом случае генератор работает при коэффициенте мощности cosϕ=1.

При постепенном уменьшении тока возбуждения наступает такое минимальное его значение, при котором магнитный поток обмотки возбуждения оказывается настолько ослабленным, что синхронный генератор выпадает из синхронизма — нарушается магнитная связь между возбуждёнными полюсами ротора и вращающимся полем статора.

Контрольные вопросы.

3. Как проверить порядок следования фаз синхронного генератора и сети?

Если между зажимами генераторов включить лампы накаливания, рассчитанные на двойное фазное напряжение, то они под действием переменного напряжения ΔU будут то потухать, то загораться. Если лампы в фазах периодически не одновременно загораются и гаснут, создавая эффект «кругового огня», то порядок следования фаз синхронного генератора и сети не совпадают. Включать генераторы на параллельную работу нужно тогда, когда частота погасания ламп будет самая малая, лампы погаснут, а стрелка нулевого вольтметра подходит к нулю.

7. Каков характер нагрузки генератора, соответствующий минимуму V- образной характеристики?

Точки минимума на V – образных характеристиках соответствуют такому току возбуждения, при котором ток статора чисто активный.

11. Как изменяется соsр синхронного генератора, работающего на сеть, при увеличении вращающего момента, если ток возбуждения генератора не изменяется?

При увеличении вращающего момента синхронного генератора, работающего на сеть, и сохранении тока возбуждения активная составляющая тока генератора увеличится, а реактивная мощность, отдаваемая в сеть, снизится.  При увеличении активной мощности и снижении реактивной, cosϕ увеличиться. Это объясняется тем, что при постоянном токе возбуждения, увеличение активной нагрузки приводит к уменьшению реактивной составляющей тока генератора. Таким образом, угол сдвига фазы между напряжением и током (φ) уменьшается, а cosφ возрастает.