3111

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра электротехники

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Электрические машины» и «Основы электропривода

технологических установок» для студентов технических специальностей очной и заочной форм обучения

Составители: А. Е. Дубинин Н. Н. Цаплин

Самара

2012

1

УДК 621.313

Исследование трехфазного синхронного генератора : методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Электрические машины» и «Основы электропривода технологических установок» для студентов технических специальностей очной и заочной форм обучения / составители : А. Е. Дубинин, Н. Н. Цаплин. – Самара : СамГУПС, 2012. – 39 с.

В методических указаниях приведены основные теоретические сведения о синхронном генераторе с явнополюсным и неявнополюсным ротором, применяемых в промышленности и на железнодорожном транспорте. Рассмотрены основные характеристики синхронного генератора. Даны подробные указания по проведению экспериментов, выполняемых на лабораторных стендах при исследовании синхронного генератора. Данный цикл лабораторных работ можно использовать студентам очной и заочной форм обучения технических специальностей.

Утверждены на заседании кафедры 3 октября 2012 г., протокол № 2. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Дубинин Александр Ефимович Цаплин Николай Николаевич

Рецензенты: к. т. н., проф., зав. кафедрой «АТС на ж.-д. транспорте» СамГУПС В. Б. Гуменников; д. т. н., проф., зав. кафедрой «Мехатроника на автоматизированных

производствах» СамГУПС О. А. Кацюба

Под редакцией д. т. н., проф. А. Е. Дубинина Компьютерная верстка: Е.А. Самсонова

Подписано в печать 19.11.2012. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 2,4. Тираж 250 экз. Заказ 268.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2012

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Данные лабораторные работы входят в цикл лабораторных работ по дисциплинам «Электрические машины» и «Основы электропривода технологических установок» (раздел «Синхронные машины») и посвящены исследованию трехфазных синхронных генераторов с явнополюсным/неявнополюсным ротором.

Генераторы переменного тока, работающие на электрических станциях, в большинстве случаев являются синхронными машинами. Эти машины применяются также в качестве двигателей. Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы и двигатели.

В методических указаниях изложен теоретический материал по указанной теме, что облегчит изучение данного раздела, в частности, студентам заочной формы обучения.

Общие положения по выполнению лабораторной работы, технике безопасности не повторяются, но их соблюдение является обязательным.

Внимание! Категорически запрещается в настоящих методических указаниях делать какие-либо пометки в тексте, на рисунках и т. д., заполнять образцы таблиц (в том числе и карандашом).

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИНХРОННЫХ МАШИН

Синхронная машина состоит из неподвижной части (статора) и вращающейся части (ротора), разделенных воздушным зазором (рис. 1).

Рис. 1. Устройство синхронной машины: а – явнополюсная; б – неявнополюсная

4

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится ЭДС, принято называть якорем. Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее иногда называют индуктором.

Всинхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор – полюсной системой.

Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на большие мощности и высокие напряжения.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока к обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю (0,3–2 %) номинальной мощности машины.

Вданных методических указаниях рассмотрим работу синхронной машины в режиме генератора. При этом имеем в виду, что синхронная машина (как любая другая электрическая машина) обратима, и что основные электромагнитные процессы в ней одинаковы независимо от того, работает ли она в режиме генератора или двигателя.

Рассмотрим устройство синхронной машины (рис. 1). На внутренней цилиндрической поверхности сердечника статора 1, набранного из листов электротехнической стали, имеются пазы, в которых размещается обмотка якоря 2. Обмотка якоря выполняется трехфазной с таким же числом полюсов, как и ротор 3. Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения 4, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника (независимое возбуждение), либо током, выпрямленным при помощи выпрямителя, от обмотки якоря (параллельное возбуждение). Обмотка возбуждения создает магнитный поток возбуждения ΦВ.

Взависимости от конструкции ротора различают явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины. Синхронные явнополюсные машины (рис. 1, а) имеют выступающие полюсы, на сердечники которых надеты катушки обмотки возбуждения. В полюсных наконечниках в специальных пазах размещены стержни из латуни или меди 5. С торцевых концов стержни замкнуты короткозамыкающими кольцами и образуют тем самым короткозамкнутую обмотку по типу «беличья клетка», исполняющую роль успокоительной (демпферной) обмотки. В синхронных двигателях эта обмотка выполняет еще и роль пусковой обмотки.

Неявнополюсные машины (рис. 1, б) имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки, в которой фрезеруются пазы для укладки обмотки возбуждения. Третья часть полюсного деления остается свободной от пазов и образует так называемый большой зубец, через который проходит главная часть потока возбуждения.

5

При включении нагрузки по обмотке статора пойдет ток I1, который изменяется с частотой, равной частоте ЭДС статора. На статоре имеются три обмотки, сдвинутые в пространстве; при нагрузке их токами, сдвинутыми во времени, возникает вращающийся магнитный поток статора Ф1, скорость вращения которого определяется частотой тока статора:

Частота тока статора f зависит от скорости вращения магнитного потока ротора. Следовательно, магнитный поток статора Ф1 будет вращаться с той же скоростью, с какой вращается магнитный поток ротора Ф0. Поток статора Ф1 будет влиять на поток полюсов Ф0, изменяя последний. Действие магнитного потока статора на магнитный поток полюсов называется реакцией якоря (статора) синхронной машины, поэтому поток статора Ф1 называют также потоком реакции якоря. Оба потока будут вращаться в одну и ту же сторону, так как следования фаз статора определяется направлением вращения ротора. Следовательно, можно произвести геометрическое сложение магнитных потоков (или их намагничивающих сил) и найти результирующий магнитный поток машины.

При холостом ходе генератора магнитный поток индуцирует в обмотке статора ЭДС Е0; магнитный поток реакции якоря Ф1 будет индуцировать в обмотке статора ЭДС реакции якоря Е1. Кроме того, ток I1, проходя по обмотке статора, будет создавать еще и поток рассеяния. Поток рассеяния Фр, замыкаясь вокруг проводников паза, зубцов и лобовых частей обмотки статора, индуцирует в ней ЭДС рассеяния Ер. Для упрощения магнитные потоки статора Ф1 и Фр. объединяют в один общий поток статора Ф1. Поток Ф1 индуцирует в обмотке статора ЭДС Ес, суммирующую ЭДС реакции якоря Ер. я и ЭДС рассеяния Ер. ЭДС Ес отстает от магнитного потока Ф1 на ¼ периода. Ее величина про-

где хс – синхронное индуктивное сопротивление статора;

I1xc – падение напряжения в синхронном индуктивном сопротивлении.

Ток I1, проходя по обмотке статора, будет создавать падение напряжения в активном сопротивлении R1 обмотки, равное I1R1.

Уравнение напряжений статора синхронного генератора, работающего под нагрузкой, будет иметь вид:

На основании уравнения (3 а) построена векторная диаграмма (рис. 2).

6

диаграммы видно, что увеличение тока вызывает, с одной стороны, уменьшение напряжения на зажимах генератора, а с другой стороны, – увеличение угла сдвига фаз θ между ЭДС E0 и напряжением U. В то же время угол θ является пространственным углом между осями потоков Φ0 и Φ.

Предположим теперь, что активная мощность осталась неизменной, а нагрузка вместо индуктивной (ток отставал от напряжения на угол ϕ) стала емкостной (ток опережает напряжение на угол ϕ). В этом случае диаграмма будет выглядеть так, как показано пунктиром на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная векторная диаграмма синхронного генератора при индуктивной и емкостной нагрузках

Изменение направления вектора тока I1′ вызовет изменение и направления вектора потока Φ1′. Кроме того, изменится направление вектора падения напряжения I1xc. Угол θ останется неизменным, а результирующий магнитный поток Φ′ и напряжение на зажимах генератора U′ увеличиваются. Следовательно, емкостный характер нагрузки ведет к увеличению магнитного потока и напряжения на зажимах генератора.

Таким образом, при увеличении активной нагрузки реакция якоря приводит к незначительному уменьшению напряжения. Реактивная нагрузка в зависимости от ее характера дает: индуктивная – размагничивающее действие реакции якоря и значительное уменьшение напряжения на зажимах генератора; емкостная – подмагничивающее действие реакции якоря и увеличение напряжения на зажимах генератора.

8

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ МАШИН

Работа машины в различных режимах и свойства самой машины определяются ее характеристиками. С помощью характеристик удобно анализировать работу генераторов. При изолированной работе генератора характеристики устанавливают зависимость между напряжением U якорной обмотки, ее током I1, током возбуждения IВ и частотой вращения f.

Характеристикой холостого хода синхронного генератора (рис. 5) называется графическая зависимость ЭДС Е1, возникающей в обмотке статора от тока возбуждения ротора IВ при постоянной частоте f = const и токе статора, равном нулю: I1 = 0. Зависимость E1 = f (IВ) показывает состояние магнитной системы генератора, так как это есть не что иное, как кривая намагничивания магнитопровода синхронного генератора. Характеристика холостого хода определяется экспериментальным путем.

Явление гистерезиса приводит к наличию двух кривых, получаемых при возрастании и убывании тока возбуждения IВ. Эти кривые мало отличаются друг от друга, поэтому обычно берут среднее значение для ЭДС и строят одну кривую.

Изменение напряжения при различных нагрузках генератора можно видеть по внешней характеристике. Внешняя характеристика синхронного генератора дает зависи-

мость U = f (I1) при IB = const, cosϕ = const и f = const.

Если генератор включен на чисто активную нагрузку, с увеличением тока нагрузки I1 напряжение на зажимах статора уменьшается вследствие возрастания падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях якоря.

Как следует из векторной диаграммы синхронного генератора (рис. 3), индуктивный характер нагрузки приводит к более резкому снижению напряжения из-за размагничивающего влияния реакции якоря. В случае емкостной нагрузки напряжение несколько увеличивается, так как реакция якоря усиливает магнитный поток генератора. На рис. 6 приведены внешние характеристики синхронного генераторадля различных видов нагрузки.

9

Регулировочной характеристикой называется зависимость тока возбуждения IВ от тока нагрузки I1, то есть IВ = f(I1) при постоянных значениях напряжениях на зажимах генератора U = UН, скорости вращения f = fН и коэффициенте мощности cosϕ = const.

При увеличении нагрузки, то есть тока статора I1, напряжение на зажимах генератора изменяется, поэтому для поддержания напряжения постоянным необходимо изменить ток возбуждения. В случае чисто активной нагрузки необходимо увеличивать ток возбуждения, так как напряжение при этом будет уменьшаться. Индуктивная нагрузка требует еще большего увеличения тока возбуждения. При емкостной нагрузке нужно уменьшать ток возбуждения, потому что напряжение на зажимах генератора повышается с увеличением нагрузки. Регулировочные характеристики синхронного генератора представлены на рис. 7.

Рис. 7. Регулировочные характеристики синхронного генератора

Векторная диаграмма синхронного генератора, приведенная на рис. 4, дает возможность получить зависимость между активной мощностью, отдаваемой генератором, и углом θ. Рассмотрим два треугольника – треугольник 0аб и треугольник абв. Сторона аб треугольника 0аб равна аб = баsinθ = E0sinθ.

Из треугольника абв получим аб = бвcosϕ = I1xccosϕ. Следовательно,

E0sinθ = I1xccosϕ ,

или

10