Электрические машины. Часть II. Синхронные машины. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Электрические машины» для студентов 3 и 4 ку

Контрольные вопросы

1.В чем состоит задача лабораторной работы?

2.Что указывается на щитке (в паспорте) синхронного генератора?

3.Объясните конструкцию синхронной машины.

4.В чем конструктивное различие турбогенераторов и гидрогенераторов? Каковы причины этого различия?

5.На статоре или на роторе располагается обмотка возбуждения в мощных синхронных генераторах?

6.Объясните устройство и значение обмотки возбуждения, обмотки якоря и успокоительной (демпферной) обмотки в синхронном генераторе.

7.Как осуществляется возбуждение синхронных машин?

8.Объясните принцип работы синхронного генератора и его назначение.

9.Как определить частоту ЭДС (тока) синхронного генератора, если известны скорость вращения ротора и число полюсов машины?

10.Как обеспечивается синусоидальность формы кривой ЭДС синхронного генератора?

11.Перечислите характеристики синхронного генератора.

12.Какая характеристика называется характеристикой холостого хода (ххх) синхронного генератора? Как ее снять на исследуемой машине? Объясните форму кривой ххх.

13.Какая характеристика синхронного генератора называется индукционной нагрузочной? Как ее снять на исследуемой машине? Как определить точку пересечения этой характеристики с осью абсцисс?

14.Объясните взаимное расположение характеристики холостого хода и индукционной нагрузочной характеристики синхронного генератора.

15.Объясните взаимное расположение нагрузочных характеристик синхронного генератора, снятых при номинальном токе якоря и различном характере нагрузки (активной, индуктивной, емкостной).

16.Какие характеристики синхронного генератора называются внешними? Как их снять на исследуемой машине?

17.Какопределитьвеличину токавозбуждения, которыйнужноподдерживать постоянным при снятии внешних характеристик?

18.Поясните ход внешних характеристик синхронного генератора при различных значениях cosϕ.

21

19.Каково значение внешних и регулировочных характеристик синхронного генератора?

20.Как по характеристикам определить величину изменения напряжения на зажимах якоря синхронного генератора ( U %) при изменении тока нагрузки от нуля до номинального? Объясните причины изменения напряжения.

21.Какие характеристики синхронного генератора называются регулировочными? Как их снять на исследуемой машине?

22.Поясните ход регулировочных характеристик синхронного генератора при различных cosϕ.

23.Поясните ход характеристик короткого замыкания и расскажите, как их снять на исследуемой машине.

24.Что называется «реакцией якоря» в синхронном генераторе? Как проявляетсяреакцияякоряприразличныххарактеристикахнагрузкигенератора (активной, индуктивной, емкостной)?

25.Поясните реакцию якоря в синхронном генераторе с помощью рисунка картины поля (на поперечном разрезе машины) для случаев:

а) когда ток якоря совпадает по фазе с направлением ЭДС при холостом ходе (активная нагрузка);

б) для отстающего от ЭДС тока (активная или смешанная активноиндуктивная нагрузка);

в) для тока, опережающего ЭДС (смешанная активно-емкостная нагрузка).

26.Объясните, в чем главное преимущество синхронных генераторов перед асинхронными.

22

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА, РАБОТАЮЩЕГО С СЕТЬЮ

БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

На современных электрических станциях устанавливается несколько генераторов, предназначенных для параллельной работы; это в большой степени повышает надежность работы станций в отношении бесперебойности энергоснабжения потребителей. В зависимости от потребляемой мощности можно включить такое количество генераторов, чтобы каждый отдавал номинальную мощность или близкую к ней. В этом случае и генераторы, и первичные двигатели будут работать с высокимКПД, таккакитеидругиевыполняютсятакимобразом, чтобыих КПДбылинаибольшимиприноминальнойнагрузке. Наличиебольшого числа генераторов, работающих на общую сеть, позволяет также снизить мощности аварийного ремонтного резерва, гибко маневрировать энергоресурсами сезонного характера.

Цель работы – ознакомиться с особенностями процедуры синхронизации генератора для работы параллельно с сетью большой мощности и регулированием генератора в этом режиме.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Экспериментальная часть

1.Включить синхронную машину на параллельную работу с сетью:

–методом точной синхронизации;

–методом самосинхронизации.

2.СнятьU-образныехарактеристикиврежимегенератораприР2 = 0,

Р2 = 0.25Рн, Р2 = 0.5Рн.

23

Обработка опытных данных

Построить на одном графике U-образные характеристики, снятые в режиме генератора и двигателя, а также рассчитать и построить зависимости cosϕ = f (P2 ).

Экспериментальная часть

1. Включение генератора на параллельную работу с сетью. При включении синхронных генераторов на параллельную работу необходимо выполнить определенные условия, которые позволят избежать чрезмерно больших бросков тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных нарушить работу энергосистемы. Совокупность условий, которые необходимо выполнить перед включением генератора на параллельную работу, называется синхронизацией генератора. При включении генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия:

–частота ЭДС генератора должна совпадать с частотой напряжения

сети;

–ЭДС подключаемого генератора U1 в момент подключения к сети

должна быть равна напряжению сети Uc , взятому с обратным знаком:

U1 = −Uc ;

– чередование фаз генератора и сети должно быть одинаковым.

Взависимостиотточностивыполненияуказанныхусловийразличаютточнуюигрубуюсинхронизацию(самосинхронизацию). Приточной синхронизации выполняются все условия включения на параллельную работу. При самосинхронизации выполняется лишь условие чередования фаз.

Метод точной синхронизации. Точная синхронизация генератора с сетью наступает, когда при одинаковом чередовании фаз частота и напряжение генератора равны частоте и напряжению сети, а векторы напряжения генератора и напряжения сети согласованы друг с другом, т. е. угол между ними составляет 0 эл. градусов.

Длительно поддерживать такой режим у автономно работающего генератора невозможно, поэтому добиваются лишь более точного совпадения величин напряжений и приблизительного совпадения частот, при котором происходит медленное периодическое изменение угла между векторами напряжений сети и генератора. Улавливая момент, при котором напряжения сети и генератора находятся в противофазе, включают

24

генератор в сеть, после чего он, втягиваясь в синхронизм, начинает работать синхронно с сетью.

Длянаблюдениязаэтимиусловиямислужатспециальноразработанные указатели синхронизации. На практике часто применяются устройства, обеспечивающие автоматическое включение генератора на параллельную работу. Более простым является ламповый синхроноскоп, руководствуясь показаниями которого, регулируют частоту вращения генератора, его напряжение и выбирают момент включения генератора в сеть. Принципиальная схема, с помощью которой обеспечивается включение генератора по методу синхронизации, приведена рис. 7.1.

Здесь представлена наиболее распространенная схема синхроноскопа для включения генератора на «темное», т.е. в момент потухания ламп синхроноскопа. Приводнымдвигателемслужитдвигательнезависимого возбуждения, скорость которого регулируется изменением тока возбуждения. Порядок запуска двигателя аналогичен приведенному в работе № 6.

Сеть подключается к блоку синхронизации через трансформатор и контактор К2. Генератор приводят во вращение двигателем постоянного тока и устанавливают скорость, близкую к номинальной, после чего подают питание в обмотку возбуждения синхронного генератора. При этом выключатель блока синхронизации должен находиться в разомкнутом положении.

Для грубой настройки напряжение и частота сети и генератора отображаются на вспомогательном блоке измерителей. Также за ходом синхронизации можно наблюдать, используя возможности программы «Многоканальный осциллограф» на компьютере, подключенном через аналого-цифровой преобразователь. Регулируя ток возбуждения, измеряемый амперметром А2 и частоту вращения генератора, добиваются низкой частоты изменения яркости ламп синхроноскопа с периодом не менее 3...5 с, обеспечивая при этом полное потухание ламп. (Если лампы загораются и гаснут неодновременно, то это указывает на различный порядок чередования фаз генератора и сети. В этом случае необходимо остановить генератор и поменять местами два каких-либо провода, идущих от зажима генератора (либо от сети) к зажимам блока синхронизации.)

Загорание и потухание ламп синхроноскопа происходит за счет изменения разности потенциалов между одноименными зажимами блока синхронизации, обусловленного несовпадением частот изменения напряжений сети и генератора при несинхронном вращении последнего.

25

Частота вспышек ламп синхроноскопа соответствует разности частот. При включении генератора в сеть в момент потухания ламп, т.е. когда между одноименными выводами генератора и сети напряжение равно нулю, процесс произойдет без появления тока.

Рис. 7.1. Принципиальная схема включения генератора по методу точной синхронизации

Чтобы более уверенно выбрать момент включения генератора, некоторое время наблюдают за синхроноскопом, пропуская несколько возможных случаев включения, и, уловив ритм мигания при потухании ламп нажатием кнопки «Вкл.» блока синхронизации генератор подключается к сети.

Критерием удачного включения служит отсутствие броска тока, наблюдаемоепоамперметрувцепиякорягенератора. Принеточномвключении бросок тока может достичь большой величины.

После включения генератора он втягивается в синхронизм и работает параллельно с сетью. Для более точной синхронизации существуют стрелочные и электронные приборы – синхроноскопы. Лабораторный стенд оснащен таким прибором. Синхроноскоп показывает угол фазо-

26

вого сдвига между одноименными фазами сети и генератора. При синхронизации по синхроноскопу необходимо добиться остановки стрелки в нулевом положении и произвести подключение в этот момент.

Метод самосинхронизации. В последние годы на практике получило распространение включение синхронных генераторов на параллельную работу с сетью без синхроноскопа по методу грубой синхронизации, называемому также методом самосинхронизации. Схема этого опыта представлена на рис. 7.2. Метод состоит в следующем. Синхронный генератор после проверки правильного чередования фаз генератора и сети приводят во вращение приблизительно с синхронной скоростью: обмоткувозбуждениязамыкаютвыключателемК1 напусковоесопротивление R1. Контактор блока синхронизации замыкается. После этого генератор включают в сеть, он начинает работать в асинхронном режиме с малым скольжением. Переключая выключателем ВК5 обмотку возбуждения на питание постоянным током, постепенно увеличивают последний до такого значения, при котором генератор втягивается в синхронизм и работает параллельно с сетью.

Рис. 7.2. Принципиальная схема включения генератора по методу точной синхронизации

27

Метод самосинхронизации получил распространение на практике, так как все необходимые при нем переключения могут быть легко автоматизированы, обеспечивая быстрое включение генератора на параллельнуюработуссетью. Последнееобстоятельствоособенноважнопри аварийных режимах в энергосистемах.

Недостатком метода является кратковременное значительное увеличениетокавобмоткестаторапривключениигенераторавсеть. Приэтом резко возрастают усилия, действующие на обмотку статора. Последнее обстоятельство приводит к расшатыванию крепления лобовых частей обмотки, уменьшениюмеханическойпрочностиееизоляции исокращению срока ее службы

Изменение активной нагрузки генератора. Чтобы нагрузить гене-

ратор, работающий параллельно с сетью, необходимо увеличить приложенный к его валу вращающий момент, т.е. момент приводного двигателя. На лабораторном стенде приводным двигателем синхронного генератора служит двигатель постоянного тока. Для увеличения вращающего момента при постоянстве скорости вращения (скорость вращения синхронного генератора определяется частотой сети) необходимо уменьшить ток возбуждения приводного двигателя. Незначительное уменьшение магнитного потока и ЭДС двигателя постоянного тока вызовет заметное возрастание его тока якоря:

Ia =(U − Ea )Ra−1 .

Это объясняется тем, что сопротивление цепи якоря двигателя постоянного тока Ra мало. В результате небольшое изменение потока вызывает значительное изменение вращающего момента на валу двигателя, который пропорционален произведению тока на поток:

М = ФIa.

Таким образом, для того чтобы увеличить вращающий момент на валу синхронного генератора, следует уменьшить ток возбуждения приводного двигателя постоянного тока с помощью регулировочной ручки блока питания ДПТ (рис. 6.1).

2. U-образные характеристики синхронного генератора. U-обра-

зные характеристики синхронного генератора определяют зависимость тока статора генератора I1 от тока возбуждения I2 (рис. 7.3) при постоянстве активной мощности генератора.

28

Одну характеристику снимают при P2 ≈0 . Для этого непосредственно после включения генератора на параллельную работу изменением тока возбуждения приводного генератора и тока возбуждения синхронного добиваются режима, при котором показания амперметра в цепи генератора будут близки к нулю, что соответствует режиму холостого хода синхронного генератора. Показания амперметра в цепи якоря приводного двигателя постоянного тока при этом также будут малы соответственно малой потребляемой мощности двигателя, расходуемой только на покрытие его небольших потерь и потерь холостого хода синхронного генератора.

После того как установлен режим холостого хода генератора, приступают к снятию первой U-образной характеристики ( P2 =0 ), поддерживая активную нагрузку генератора близкой к нулю.

Контрользаактивноймощностьюгенератора P2 ведутпопоказаниям ваттметра. Поддерживание этой мощности неизменной производят при помощи регулирования тока возбуждения приводного двигателя. Затем, уменьшая ток I2 возбуждения до величины, при которой ток I1 в статоре станет равен номинальному (0,25А) или немного больше его, записывают первую точку левой ветви U-образной характеристики при минимальном токе статора генератора. Затем, увеличивая ток I2 , снимают 3–4 точки правой ветви характеристики. Наибольшее значение тока статора не должно превышать 1.2I1н, а ток возбуждения не должен превышать 2 А.

Рис. 7.3. Пример U-образной характеристики генератора

29

Рис. 7.4. Пример зависимости cosϕ от тока возбуждения I2 при постоянной активной генерируемой мощности P2

Для снятия U-образных характеристик при Р2 = 15 Вт и Р2 = 30 Вт генератор предварительно нагружают до соответствующей мощности, изменяя момент приводного двигателя постоянного тока.

В процессе снятия каждой из U-образных характеристик Р2 необходимо поддерживать постоянной. Все U-образные характеристики имеют ярко выраженный минимум тока синхронного генератора. Ток I1 , соответствующий минимальной точке каждой U-образной характеристики, является чисто активным током точки, и cosϕ генератора при этом равен единице.

Левые от точки минимума ветви кривых I1 = f (I2 ) характеризуют работу генератора в режиме недовозбуждения. Поэтому со стороны обмоткистаторавозникаетподмагничивающаяреакцияякоря; генератор отдает в сеть активную мощность, потребляя из сети недостающую намагничивающую реактивную мощность (следует иметь в виду, что генератор работает при постоянстве напряжения сети).

Правые ветви U-образных кривых от точки минимума характеризуют режим перевозбуждения. В этом режиме возникает размагничивающая реакция якоря вследствие избытка намагничивающей силы, создаваемой обмоткой возбуждения генератора; генератор отдает в сеть и активную, иреактивнуюмощность. Нарежимперевозбужденияобычно рассчитываются все синхронные генераторы.

30