13.2. Холостой ход синхронного генератора

Режим работы генератора, при котором ток в обмотке якоря (статора) равен нулю, называется холостым ходом. При холостом ходе магнитный поток Ф₀ создается только м. д. с. обмотки возбуждения. Этот поток, проходя через воздушный зазор, сцепляется с обмоткой якоря и при вращении индуктора наводит в каждой фазе обмотки якоря э. д. с. Форма кривой э. д. с., индуцированной в обмотке якоря при холостом ходе, должна быть возможно ближе к синусоиде. Напря­жение (э. д. с.) считается практически синусоидальным, если разность между ординатой действительной кривой напряжения и ординатой идеальной синусоиды в одной и той же точке не превышает 5 % для генераторов мощностью выше 1000 кВА и 10% для генераторов мощностью от 10 до 1000 кВА. Для получения близкой к синусоидаль­ной формы кривой напряжения (э. д. с.) необходимо, чтобы распреде­ление магнитного потока по окружности статора генератора было близким к синусоидальному. Для этого в неявнополюсных машинах обмотку возбуждения распределяют таким образом по окружности сердечника ротора, чтобы снизились амплитуды м. д. с. высших гармоник. В явнополюсных машинах этого добиваются, увеличивая зазор по краям полюсных наконечников. Обмотку якоря трехфазных генераторов обыч­но соединяют звездой, так как при этом отсутствуют третьи гармоники тока и третьи гармоники линейных напряжений, а также уменьшаются потери мощности в машине.

На рис. 13.3 показана схема синхронного генератора, вал ротора 3 которого с помощью первичного двигателя вращается с постоянной частотой n₀. Ток возбуждения I_B, поступающий в обмотку ротора 4 от источника постоянного тока через контактные кольца 2, можно регулировать от нуля до определенного максимального значения, что позволяет изменять магнитный поток ротора в широких пределах. Изменение магнитного потока ротора дает возможность получать различные значения э. д. с., индуцируемых в фазах обмотки статора 1. При трехфазной обмотке статора в фазах индуцируются э. д. с., сдвинутые по фазе на угол 2π/3. Действующее значение синусоидальной э. д. с. Е₀, индуцируемой при холостом ходе в фазе статора, может быть рассчита­но, как и для асинхронных машин, по формуле

(13.3)

где k_{об a} — обмоточный коэффициент якоря; w_a — число витков в фазе ста­тора, включенных последовательно; Ф₀ — максимальный магнитный поток полюса ротора при токе возбуждения I; f₁ — частота э. д. с. статора, определяемая по формуле (13.1).

Большое значение при анализе работы синхронного генератора имеет характеристика холостого хода, представляющая собой зависи­мость э. д. с. Е₀ от тока возбуждения I_В при n₀ = const (рис. 13.4, а). На рис. 13.4,б представлена векторная диаграмма, соответствующая этой характеристике. Согласно (13.3), при n₀ = const (f₁ = const) э. д. с. E₀ пропорциональна Ф₀, значит, той же кривой рис. 13.4, а (но в другом масштабе) можно представить зависимость Ф₀ = f(I_B).

При малых значениях тока возбуждения магнитный поток мал, а значит, стальные участки магнитопровода машины не насыщены, благо­даря чему магнитное сопротивление этих участков незначительно. Магнитный поток в этом случае практически определяется магнитным сопротивлением воздушного зазора между ротором и статором, а характеристика Ф_B= (I_B) [или в другом масштабе характеристика холостого хода Е₀ = f(I_B)] имеет линейную зависимость (линейный участок на рис. 13.4, а). По мере возрастания магнитного потока сталь­ные участки магнитопровода насыщаются и возрастает их магнитное сопротивление, а при индукции в стали более 1,7 —1,8 Тл сопротивле­ние этих участков настолько велико, что характеристика E₀ = f(I_B) становится нелинейной. Обычно номинальный режим синхронных гене­раторов соответствует «колену» кривойE₀ = f(I_B) (на рис. 13.4, а точка с координатами I_ВО и E_он).