МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

Кафедра «Электромеханика и автомобильное электрооборудование»

Лабораторная работа №1

«Исследование характеристик синхронного генератора»

Выполнил:

студент 3-ЭТФ-101 В.Н. Безъязыков

Принял:

доцент., к.т.н Д.Г. Рандин

Самара 2024

Цель работы - овладение практическими навыками экспериментального определения характеристик холостого хода, короткого замыкания, внешней, нагрузочной, регулировочной синхронного генератора и оценки потребительских свойств этого генератора.

Программа работы

1. Изучить устройство и принцип действия синхронного генератора.

2. Определить характеристику холостого хода.

3. Определить характеристики трех-, двух- и однофазного короткого замыкания.

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 тока
Номинальная мощность, Вт	90
Номинальное напряжение якоря, В	220
Номинальный ток якоря, А	0,56
Номинальная частота вращения, мин'1	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. Определение характеристики холостого хода U₁₀=f(I_f) при I₁=0, n_N=соnst синхронного генератора.

Рис.1. Электрическая схема соединений для опыта холостого хода.

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
Gб	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/ 0,25А (возбуждение)
Р1	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра ≈ 0... 1000 В / ≈0...10 А / 0...20 МОм
РЗ	Указатель частоты вращения	506.2	-2000...0...2000 мин-1

В ходе работы была собрана схема, представленная на рис. 1. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 2. Снятые опытные данные, приведены в таблице 3.

Затем, опираясь на данные таблицы 3, был построен график зависимости U₁₀=f(I_f) при I₁=0, n_N=соnst синхронного генератора.

Таблица 3

If	1,85	1,62	1,52	1,22	0,95	0,71	0,46	0,23	0,02
U10	140	127	120	100	80	60	40	20	2,54

Рис.2. Зависимость U₁₀=f(I_f). „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Вывод: характеристика холостого хода синхронного генератора — это график зависимости напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и отсутствии нагрузки.

По опытным данным можно сделать вывод, что ток возбуждения при номинальном напряжении U₁₀=127 В, составляет I_f=1,62 А и соответствует номинальному значению.

2. Определение характеристики короткого замыкания I₁ =f(I_f) при U₁ =0 синхронного генератора.

Рис. 3. Электрическая схема соединений для опыта трехфазного короткого замыкания.

Рис. 4. Электрическая схема соединений для опыта двухфазного короткого замыкания.

Рис. 5. Электрическая схема соединений для опыта однофазного короткого замыкания.

В ходе работы была собраны схемы, представленные на рис. 3, 4, 5. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 2. Снятые опытные данные, приведены в таблице 4.

Затем, опираясь на данные таблицы 4, были построены графики зависимостей I₁ =f(I_f) при U₁ =0 синхронного генератора.

Таблица 4

Опыт трехфазное КЗ
If	0,93	0,78	0,63	0,46	0,3	0,24	0,13	0
I1	0,3	0,25	0,2	0,15	0,1	0,08	0,05	0
Опыт двухфазное КЗ
If	0,84	0,71	0,57	0,42	0,27	0,24	0,13	0
I1	0,3	0,25	0,2	0,15	0,1	0,09	0,05	0
Опыт однофазное КЗ
If	0,56	0,45	0,36	0,27	0,24	0,17	0,08	0
I1	0,3	0,25	0,2	0,15	0,136	0,1	0,05	0

Рис.6. Зависимость I₁ =f(I_f) при трехфазном КЗ. Опытные данные (точки) и аппроксимирующая кривая.

Рис.7. Зависимость I₁ =f(I_f) при двухфазном КЗ. Опытные данные (точки) и аппроксимирующая кривая.

Рис.8. Зависимость I₁ =f(I_f) при однофазном КЗ. Опытные данные (точки) и аппроксимирующая кривая.

3

1

Рис.9. Характеристики короткого замыкания синхронного генератора: 1 – однофазное КЗ, 2 – двухфазное КЗ, 3 – трехфазное КЗ. Опытные данные (точки) и аппроксимирующая кривая.

Вывод: характеристика короткого замыкания синхронного генератора показывает, что наиболее опасным видом короткого замыкания (КЗ) является однофазное КЗ. Это связано с тем, что при однофазном КЗ ток в обмотке статора может достигать очень высоких значений, что приводит к значительному увеличению механической и электрической нагрузки на генератор.

Однако все виды КЗ, включая однофазное, требуют быстрого отключения для предотвращения серьезных повреждений генератора и энергосистемы. Задержка в отключении может привести к перегреву обмоток, разрушению изоляции и другим серьезным последствиям. Поэтому важно иметь надежную систему защиты и автоматического отключения при возникновении КЗ.

3. Определение внешней при , , =1500 об/мин = const, регулировочной при =230В, , =1500 об/мин = const и нагрузочной при =0,1 A, , =1500 об/мин = const характеристик синхронного генератора.

Рис. 10. Электрическая схема соединений для определения внешней, регулировочной, нагрузочной характеристик

Таблица 5

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
M2	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт/220 В/ 0,56 А (якорь) / 2x110 В /0,25 А (возбуждение)
A10	Активная нагрузка	306.1	220 В/3x0...50 Вт
А15	Индуктивная нагрузка	324.2	220 В/3x0...40 вар;
P1	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра ~0... 1000 В/ =: 0...10 А / 0…20 МОм
P3	Указатель частоты вращения	506.2	-2000...0...2000 мин'1

В ходе работы была собрана схема, представленные на рис. 10 для активной и индуктивной нагрузок. Список используемой аппаратуры представлен в таблице 5.

Снятые опытные данные для внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик при активной нагрузке, приведены в таблицах 6, 7, 8.

Таблица 6

Внешняя характеристика при активной нагрузке

n=1500 об/мин=const

I1	0	0,063	0,01	0,148	0,192	0,25	0,29
U1	230	214	210	200	190	172	160

Таблица 7

Регулировочная характеристика при активной нагрузке

I1	0	0,044	0,108	0,15	0,193	0,271	0,293
If	1,7	1,72	1,73	1,73	1,86	1,94	1,91

Таблица 8

Нагрузочная характеристика при активной нагрузке

If	1,77	1,45	1,26	1,04	0,8	0,6	0,4	0,3	0,2
U1	230	200	170	140	110	80	50	20	0

Затем, опираясь на данные таблиц 6, 7, 8, были построены графики внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик при активной нагрузке.

Рис. 11. Внешняя характеристика при активной нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис. 12. Регулировочная характеристика при активной нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис. 13. Нагрузочная характеристика при активной нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Снятые опытные данные для внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик при индуктивной нагрузке, приведены в таблицах 9, 10, 11.

Таблица 9

Внешняя характеристика при индуктивной нагрузке

n=1500 об/мин=const

I1	0	0,041	0,102	0,15	0,205
U1	230	217	198	177	150

Таблица 10

Регулировочная характеристика при индуктивной нагрузке

I1	0	0,04	0,11	0,143	0,212	0,262	0,3
If	1,53	1,63	1,83	1,92	2,12	2,4	2,5

Таблица 11

Нагрузочная характеристика при индуктивной нагрузке

If	0	1,48	1,24	1,04	0,76	0,66	0,41	0,35	0,2
U1	230	200	170	140	110	80	50	36	0

Затем, опираясь на данные таблиц 9, 10, 11, были построены графики внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик при индуктивной нагрузке.

Рис. 14. Внешняя характеристика при индуктивной нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис. 15. Регулировочная характеристика при индуктивной нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис. 16. Нагрузочная характеристика при индуктивной нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис. 17. Внешняя характеристика при активной (синий) и индуктивной (красный) нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис. 18. Регулировочная характеристика при активной (синий) и индуктивной (красный) нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Рис. 19. Нагрузочная характеристика при активной (синий) и индуктивной (красный) нагрузке. „•” — опытные данные, „—” — аппроксимирующая кривая (полиномиальная).

Вывод: из-за погрешности измерительных приборов начальные значения точек отличаются. Внешняя характеристика: при активной нагрузке напряжение генератора с увеличением нагрузки будет уменьшаться. При индуктивной нагрузке напряжение генератора будет уменьшаться еще больше вследствие размагничивающего действия реакции якоря.

Регулировочная характеристика: при увеличении активной нагрузки ток возбуждения нужно увеличивать, вследствие чего возрастет ЭДС генератора и увеличение падения напряжения при возрастании тока нагрузки не вызовет снижения напряжения генератора. При увеличении индуктивной нагрузки ток возбуждения нужно увеличивать еще больше вследствие размагничивающего действия реакции якоря.

Нагрузочная характеристика: при активной нагрузке напряжение на зажимах генератора падает при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной в пределах 10–20% напряжения при холостом ходе генератора.  При индуктивной нагрузке напряжение на зажимах генератора падает быстрее из-за размагничивающего действия реакции якоря. 

Контрольные вопросы