Векторная диаграмма 3

Заменив ЭДС соответствующими индуктивными падениями напряжения

получаем , где

Сопротивления и называют полными или синхронными индуктивными сопротивлениями обмотки якоря по продольным и поперечным осям.

В соответствии с уравнением в векторной диаграмме изменяются вектора.

Иногда при качественном анализе явнополюсную машину заменяют эквивалентной неявнополюсной, у которой синхронное индуктивное сопротивление по обеим осям равно рассматриваемой явнополюсной машины. Такая эквивалентная машина имеет вместо ЭДС Е₀ эквивалентную ЭДС Е₀^/ , причем угол нагрузки θ остается таким же.

Основные характеристики синхронного генератора.

Основными характеристиками СГ являются внешние и регулировочные. Они определяют свойства синхронного генератора.

Внешние характеристики.

U=f(I_a) I_в= const Cosφ=const

Зависимости напряжения U от тока нагрузки при неизменных токе, углеи частотеназывают внешними характеристиками СГ. Их можно построить с помощью векторных диаграмм.

Обычно их снимают, установив при I_а= I_ном такой I_в, чтобы при заданном Cosφ получить U =U_ном. По характеристикам могут быть найдены процентные значения изменения напряжения при переходе генератора от режима нагрузки к холостому ходу.

Например: при номинальной нагрузке генератор имеет номинальное напряжение, достигающееся путем соответствующего выбораI_возб. При понижении до «0», следовательно, векторная диаграмма, построенная по номинальной нагрузке, дает две точки внешней характеристики.Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз междуи, т.к. в зависимости от этого изменится вектор(при заданном значении).

На рисунке изображены упрощенные ВД генератора с неявно выраженными полюсами.

активная нагрузка активно-индуктивная активно-емкостная

При а) и б)>, при в). Таким образом, в (а) и (б) при увеличении нагрузки падает, а в(в)напряжение повышается.

Объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке существует продольная намагниччвающая составляющая реакции якоря, а при активной и активно-индуктивной продольная размагничивающая реакции якоря (при чисто активной нагрузке ψ > 0).

Вид внешних характеристик генератора зависит от вида нагрузки.

Ex. Построим внешнюю характеристику для разных нагрузок при одинаковом . При этом требуется устанавливать различные токи возбуждения, следовательно, генератор будет иметь различные ЭДС (U_o). Рис 1.

рис.1 рис.2

Если устанавливать одинаковые напряжения при х.х (рис.2), то при номинальном токе напряжениябудут различны.

* При (коротком замыкании) все характеристики пересекутся в одной точке, соответствующей значению токаI_к.

При переходе от режима х.х. к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения (в процентах) характеризуется величиной

%

Обычно генераторы работают с cos= 0,9…0,85 при отстающем токе. В этом случае

Для того чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении близком к номинальному, применяют специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение, Ex. регуляторы тока возбуждения.

Чем больше , тем сложнее регулирующее устройство, следовательно, желательно иметь генераторы с небольшим. Но чтобыстало небольшим необходимо снизить (в неявнополюсных) и и(в явнополюсных) для чего увеличивают воздушный задор между ротором и статором. Это требует увеличения МДС обмоткивозбуждения, т.е. ее размеров, что в итоге делает машину дороже.

В турбогенераторах большой мощности мощность ограничивается размерами ротора с обмоткой возбуждения. С повышением мощности машины возрастает и . В гидрогенераторах воздушный зазор большой и слабее проявляется реакция якоря, значит, имеют место меньшие индуктивные сопротивления, а следовательно и меньшее изменение напряжения.

Регулировочные характеристики.

I_в= f(I_a) U=const Сosφ = const

Зависимости тока возбуждения от тока нагрузкипри неизменном напряжении, углеи частотеназываютрегулировочными характеристиками.

Они показывают, как нужно изменять возбуждение, чтобы при изменении тока нагрузки и сохранении Сosφ = const, напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным.

Регулировочные характеристики могут быть сняты опытным путем или найдены с помощью векторных диаграмм, если известны характеристика х.х. и параметры машины (или внешние характеристики).

Активная нагрузка. Возрастание тока нагрузки сопровождается снижением напряжения, следовательно, для поддержания напряжения постоянным, по мере увеличения тока нагрузки необходимо увеличивать ток возбуждения .

Активно-индуктивная нагрузка. Напряжение понижается интенсивнее, следовательно, ток возбужденияподнимают в большей степени.

Активно-емкостная нагрузка. Увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения, поэтому для поддержания напряжения постоянным, требуется снижать ток возбуждения.

Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения .

Так же, как и внешние характеристики, регулировочные характеристики при небольших нагрузках линейны. При нагрузках, близких к номинальным, из-за насыщения регулировочные характеристики становятся нелинейными.

При работе СГ на емкостную нагрузку магнитное поле машины создается током возбуждения и реактивными токами, протекающими в якоре. При небольших зазорах в СМ, работающей на емкостную нагрузку, может наступить самовозбуждение, когда при отключенной обмотке возбуждения (I_в =0) на выводах генератора появится напряжение. Это явление называется самовозбуждением СМ (при изучении регулирования реактивной мощности).

Характеристика короткого замыкания.

Одной из важных характеристик СМ является характеристика короткого замыкания – зависимость тока якоря от тока возбуждения при симметричном коротком замыкании на выводах якоря при номинальной частоте вращения.

По результатам опытов х.х. и к.з. определяют синхронное индуктивное сопротивление машины.

При опыте х.х. определяют характеристику х.х. при номинальной частоте вращения машины, изменяя ток возбуждения.

При опыте к.з. обмотки фазы якоря замыкают накоротко через амперметры, после этого ротор приводят во вращение с номинальной частотой и повышают ток возбуждения от нуля до номинального значения I_к ≈ I_ном (т.е. зависимость тока якоря от тока возбуждения). Эта характеристика имеет линейный характер, т.к. машина не насыщена, т.е. работает при размагничивающей реакции якоря. Индуктивный характер тока при коротком замыкании определяется индуктивным сопротивлением обмотки якоря, которое значительно больше активного сопротивления обмотки (в относительных единицахR=0,01 ÷ 0,001, а x_d= 1,0 ÷ 2,5).

Ток короткого замыкания может быть определен как

,

где Е₀ – ЭДС, соответствующая току возбуждения I_в0, которая определяется по спрямленной характеристике холостого хода.

Пренебрегая активным сопротивлением, ток короткого замыкания можно определить .

В относительных единицах ток короткого замыкания обратно пропорционален x_d. Т.о., можно по характеристикам холостого хода и короткого замыкания определить опытным путем x_d.

Итак, индуктивное сопротивление по продольной оси

, где ЭДС и токдолжны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения. Для прямолинейного участка характеристики х.х не важно, при какомI_в определяется значение , так как во всех случаях=const. Это же значение сопротивления получим при определениипо спрямленной характеристике х.х. Оа, соответствующей ненасыщенной машине.

При учете насыщения сопротивление уменьшается.

Если известны коэффициенты приведения и, то по полученному значениюможно определить синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси.

В неявнополюсных машинах , т.е..

Если выразить синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах, то

X_d* =(I_{a ном}/U_ном)X_d X_q* = (I_{a ном}/U_ном) X_q ,

где I_{a ном} и U_ном - номинальные значения фазных тока и напряжения.

Сопротивления, выраженные в относительных единицах, характеризуют параметры машины, показывая относительную величину падения напряжения при номинальном токе. Эти величины позволяют сравнивать свойства генераторов различной мощности.

X_d*=0,6…1,6

X_q*=0,4…1

Х_сн*=0,9…2,4.

При работе в рассмотренном режиме , следовательно, уравнения(я/п) и(н/п) преобразовываются

- для явнополюсных машин

- для неявнополюсных машин.

Важное значение имеет кратность тока короткого замыкания при напряжении холостого хода, равном номинальному

и при номинальном токе возбуждения, при котором ток короткого замыкания равен I_{к ном},

.

Отношение тока короткого замыкания к номинальному току в относительных единицах при токе возбуждения I_в0, при котором E₀=U_ном, называют отношением короткого замыкания (ОКЗ).

- характеризует значение установившегося тока к.з. , который возникает при номинальном токе возбуждения генератора (соответствующем номинальному напряжению).

С учетом насыщения .

В явнополюсных машинах , для таких машин ОКЗ = 0,8…1,8.

В неявнополюсных машинах , ОКЗ = 0,5…1,0.

В СМ установившийся ток к.з. невелик, т.к. при этом режиме и поле якоря сильно размагничивают машину. Т.о. при коротком замыкании результирующий магнитный поток Ф_рез.к << Ф_в и ЭДС Е << Е_о.

Величина ОКЗ важна и для эксплуатации, она показывает кратность тока к.з. и определяет значение мощности, которой можно нагрузить СГ (его перегрузочную способность), изменение напряжения и пр. Лучшие характеристики имеет машина с большим ОКЗ, однако это требует увеличения воздушного зазора, что удорожает машину.

Нагрузочная характеристика – это зависимость напряжения на генераторе от тока возбуждения U=f(I_в) при неизменных токе якоря, соsφ нагрузки и частоте вращения.

При изменении напряжения ток в якоре поддерживается неизменным, путем регулирования сопротивления нагрузки. Нагрузочные характеристики снимают только при индуктивной нагрузке. Поэтому зависимость U=f(I_в) при соsφ=const называют индукционной нагрузочной характеристикой.

Она является вспомогательной и используется для определения индуктивного сопротивления рассеяния.

Рассмотренные характеристики дают представление об основных электромагнитных показателях машины. Но о КПД и распределении тепловых полей по ним судить нельзя.

Определение потерь в СМ осуществляется так же, как и в асинхронных, с учетом того, что в обмотке ротора СМ протекает постоянный ток. К добавочным потерям относят поверхностные потери в роторе. Основные потери в меди включают потери в обмотке якоря и обмотки возбуждения. Потери в обмотке возбуждения считают с учетом потерь в возбудителе:

,

где ΔU_щ – переходное падение напряжения в щеточном контакте (ΔU_щ ≈1В). Если возбуждение бесконтактное, эта составляющая потерь отсутствует; η_в – КПД возбудителя (η_в =0,8÷0,85).

Сопротивление обмотки возбуждения определяют без учета вытеснения тока и приводят к расчетной температуре 75⁰С.

Особенности расчета механических и добавочных потерь для различных типов СМ рассматриваются при проектировании.

Коэффициент полезного действия генератора

,

где ΣР – сумма потерь: ΣР= Р_э1+Р_в+Р_ст+Р_мех+Р_пов+Р_доб,

Здесь Р_э1- электрические потери в обмотке якоря, Р_в- электрические потери в обмотке возбуждения, Р_ст- потери в стали, Р_мех- механические потери, Р_пов- поверхностные потери, Р_доб – добавочные потери.

Характеристика η =f(Р_ном)

Для крупных СМ КПД достигает 98-99%.