Глава тридцать третья работа многофазных синхронных генераторов при симметричной нагрузке

§ 33-1. Основные виды векторных диаграмм напряжений синхронных генераторов

Явнополюсная машина. Напряжение фазы обмотки генератора равно сумме индуктируемых в этой обмотке э. д. с. минус падение напряжения в активном сопротивлении фазы обмотки якоря г_а.

В соответствии с этим и изложенным в § 32-1 и 32-2 можно написать уравнение напряжения явнополюсного синхронного генератора:

Уравнение (33-3) можно прочитать также так: напряжение генератора V равно э. д. с. Е, индуктируемой током возбуждения, минус падения напряжения в индуктивных сопротивлениях реакций якоря x_ad и х_ад, ин* дуктивном сопротивлении рассеяния якоря х_оа м в активной сопротивлении якоря г_а.

Уравнениям напряжения (33-1) и (33-3) соответствуют векторные диаграммы явнополюсного. синхронного генератора на рис. 33-1. В случае, показанном на рис. 33-1, а, генератор имеет смещанйую активно-индуктивную нагрузку, когда угол сдвига фаз между током и напряжением ц> > О, а на рис. 33-1, б нагрузка является активно-емкостной и «р < 0, На рис. 33-1, а, кроме того, ty > 0, I_d > 0 и продольная реакция якоря является размагничивающей, а на рис. 33-1,6 г|5 < 0, /_rf < 0 и продольная реакция

якоря является намагничивающей. Если U = const, то при активно-емкостной нагрузке (рис. 33-1, б) э. д. с. Е и ток возбуждения i_f

Рис. 33-1. Первый вид векторных диаграмм напряжений явнополюсного синхронного генератора"

меньше, чем при активно-индуктивной нагрузке (рис. 33-1, а), так как в первом случае продольная реакция якоря участвует в создании в машине результирующего потока необходимой величины. Поскольку х_аа и г_а относительно малы, то при U = const величины э. д. с. Е& и потока Ф₆ при изменении характера или величины нагрузки изменяются мало.

Угол е между векторами Ё и О называется углом нагрузки. В генераторном режиме работы (рис. 33-1) э. д. с. Ё всегда опережает U и угол 9 при этом считается положительным. Название этого угда происходит от того, что величина б зависит от нагрузки генератора

P = mUI cosq>. (33-4)

Действительно, из диаграммы рис. 33-1 видно, что, например, при U = const, / = const и при уменьшении абсолютной величины <р составляющая тока якоря l_q увеличивается, соответственно чему увеличиваются также E_aq и 9.

Векторная диаграмма рис. 33-1 называется в литературе также диаграммой Блонделя.

Как было показано в § 32-2, э. д. с. Ё_аа также можно разложить на составляющие:

При этом диаграммы рис. 33-1 можно несколько видоизменить, как показано на рис. 33-2. На диаграммах рис. 33-2, кроме того, направления векторов падений напряжения изменены на обратные. Поэтому диаграмма рис. 33-2 соответствует уравнению напряжения вида

которое получается из уравнения (33-5) путем переноса соответствующих членов из одной части уравнения в другую. Векторные диаграммы рис. 33-2 и уравнение (33-6) читаются так: э. д. с. Е, индуктируемая в обмотке якоря синхронного генератора током или магнитным полем возбуждения, равна напряжению на зажимах генератора плюс падения напряжения в сопротивлениях обмотки якоря. При исследовании режимов работы синхронной машины в энергетических системах обычно пользуются диаграммами вида рис. 33-2.

Необходимо указать на следующие примечательные свойства диаграмм рйс. 33-1 и 33-2. Если из точек А на рис. 33-1 и 33-2 провести перпендикулярно вектору / отрезки прямых до пересечения в точке Q с вектором Ё или его продолжением (штриховые линии на рис. 33-1 и 33-2), то длины этих отрезков на рис. 33-1 будут равны х_ад1, а на рис. 33-2 раны x_ql. Это следует из того, что в прямоугольных треугольниках AQB (рис. 33-1 и 33-2) угол при вершине А равен я];, и поэтому для рис. 33-1

Этим свойством можно воспользоваться для построения диаграмм в случае, когда заданы U, I и <р и необходимо найти Е. Тогда путем построения отрезков AQ сначала находят направление вектора Ё и, следовательно, угол "ф. После этого ток / можно разложить на составляющие I_d, I_q и построить всю диаграмму.

На рис. 33-3 наряду с построением отрезка AQ = x_ql показаны также некоторые другие дополнительные построения и величины получаемых при этом отрезков, что дает более полное представление о соотношениях, характерных для векторной диаграммы явнопо-люсной синхронной машины.

Неявнополюсная машина. В этом случае х_ад = х_ал, x_q = x_d, поэтому нет необходимости разлагать ток / на составляющие I_d

и l_q и можно откладывать на диаграмме падения напряжения jx_ad/ и \xj. Вместо диаграмм рис. 33-1, а и 33-2, 'а тогда получим диаграммы рис. 33-4, а я б.

Для исследования некоторых вопросов явнополюсную машину иногда заменяют эквивалентной неявнополюсной машиной, у которой синхронное сопротивление по обеим осям равно x_q рассматриваемой явнополюсной машины. Такая эквивалентная машина

Рис 33-3 Характерные соотношения в диаграмме напряжений явнополюсного синхронного генератора

Рис. 33*4, Векторные диаграммы напряжений неявнополюсного синхронного ген£ра-тора

имеет вместо э. д. с. Е эквивалентную э. д. с. возбуждения Е_о (см. рис. 33-3), причем угол нагрузки в не изменяется. Необходимо иметь в виду, что при постоянном токе возбуждения i_f и постоянной э. д. с. Е величина э. Д. с. Eq при изменении нагрузки меняется. Векторные диаграммы рис. 33-1 —■ 33-4 справедливы для любого установившегося режима работы синхронного генератора, если в каждом случае пользоваться значениями параметров x_ad, x_m или x_d, x_g, соответствующими реальному состоянию насыщения магнитной цепи в рассматриваемом режиме работы. Однако при различных режимах работы насыщение магнитной цепи различно и определение точных насыщенных значений указанных параметров связано с определенными трудностями, Подробнее этот вопрос изложен в § 33-3.

§ 33-2. Характеристики синхронных генераторов

Среди разнообразных характеристик синхронных генераторов отдельную группу составляют характеристики, которые определяют зависимость между напряжением на зажимах якоря U, током якоря / и током возбуждения i_f при / = /„ или п = п_а и ф = const в установившемся режиме работы. Эти характеристики дают наглядное представление о ряде основных свойств синхронных генераторов.

Они могут быть построены по расчетным данным, с помощью векторных диаграмм, или по данным соответствующих опытов.

Р I

Рис. 33-5. Схемы для опытного определения характеристик синхронных генераторов

Характеристики ^явнополюсных и неявнополюсных генераторов в основном одинаковы.

Схемы для снятия рассматриваемых ниже характеристик опытным путем изображены на рис. 33-5. На рис. 33^j5, а обмотка якоря Я нагружается с помощью симметричных регулируемых нагрузочных сопротивлений Z_m (например, трехфазный реостат и трехфазная индуктивная катушка» включаемые параллельно).

На рис. 33-5, б генератор нагружается на сеть U_c через индукционный регулятор напряжений {см. § 29-1), или регулируемый трехфазный трансформатор, или автотрансформатор РТ. Активная мощность генератора в обоих случаях регулируется путем изменения момента двигателя, вращающего генератор. В схеме рис. 33-5,6 воздействие на РТ изменяет напряжение генератора и его реактивную мощность или cos ф. На практике удобно пользоваться схемой рис. 33-5, б_ч

На рис. 33-5 предполагается, что обмотка возбуждения 05 питается от-постороннего источника. Регулирование тока i_f в обоих

случаях производится с помощью реостата R. Величина cos ф проверяется по показаниям двух ваттметров.

Все характеристики для наглядности целесообразно строить в относительных единицах.

Характеристика холостого хода (х. х. х.) определяет зависимость U = / (i^ при / = 0 и / = /_н. Очевидно, что в режиме холостого хода U = Е. Если х. х. х. различных синхронных генераторов

изобразить в относительных единицах, полагая

Рис. 33-6. Нормальные характеристики холостого хода турбо- и гидрогенераторов СССР

где if_M — ток холостого хода при U = U_B, то эти х. х\ х. будут мало отличаться друг от друга. Поэтому при расчетах различных режимов работы энергетических систем, в которых работает много генераторов, для упрощения расчетов принимается, что х. х. х. всех турбогенераторов, а также х. х. х. всех гидрогенераторов, выраженные в относительных единицах, одинаковы и соответствуют некоторым средним данным реальных

характеристик генераторов (рис. 33-6). Такие х. х. х. называются нормальными. Отметим, что относительный ток возбуждения I/* на рис. 33-6 и рассмотренный в § 32-4 относительный ток возбуждения различны, так как различны соответствующие базисные токи, принятые за единицу.

Как указывалось'в § 32-1, наряду с реальной криволинейной х. х. х. рассматриваются также спрямленные ненасыщенная и насыщенная х. х. х. (см. рис. 32-4). Нормальные ненасыщенные х. х. х. показаны на рис. 33-6 штриховыми линиями.

Магнитные цепи турбогенераторов более насыщены, и, согласно рис. 33-6, при Е = U_a для турбогенераторов k^_d =.1,2 и для гидрогенераторов k^a = 1,06.

Характеристика короткого замыкания (х. к. з.) снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки якоря накоротко (симметричное короткое замыкание) и определяет зависимость 1 — f (if) при U = 0 и / = f_u.

Если пренебречь весьма незначительным активным сопротивлением якоря (г_а = 0), то сопротивление цепи якоря в режиме корот-

кого замыкания будет чистоиндуктивным. Поэтому г]з = 90°, 1_д = О, J_d = / и на основании выражения (33-5)

Уравнению (33-7) соответствует схема замещения рис. 33-7, а и векторная диаграмма рис. 33-7, б.

При коротком замыкании реакция якоря является чисто размагничивающей, э. д. с. Ец от результирующего потока воздушного зазора, равная

Е₆ = Е — x_adl=-x_aal,

весьма мала, вследствие чего и поток Фа мал. Поэтому при коротком замыкании магнитная цепь не насыщена и х. к. з. I = f (if) прямолинейна (рис. 33-8).

Опытное определение x_d. Опытные х. х. х. и х. к. з. ,(рис. 33-8) позволяют определить опытное значение продольного синхронного сопротивления x_d. Обычно находят ненасыщенное значение этого сопротивления x_doa, которое в отличие от насыщенного значения x_d для каждой машины' вполне определенное. Чтобы определить x_dw, для какого-либо значения тока возбуждения, например i_f = ОА (рис. 33-8), по спрямленной ненасыщенной х. х. х. 3 находят Е_т = АА" и по х. к. з. 2 — ток /, после чего в соответствии с равенством (33-7) вычисляют

Рис. 33-7. Схема замещения (а) и векторная диаграмма напряжений (б) синхронного генератора при симметричном установившемся коротком замыкании

Если £оо и / выражены в относительных единицах, то и x_dca получается в этих же единицах.

Если вместо Ею в равенство (33-8) подставить значение Е = А А' дли той же величины if (рис. 33-8), то отношение

будет определять насыщенное значение x_d при таком насыщении магнитной цепи, которое соответствует данному значению Е. Кривая 4 (рис. 33-8) представляет собой насыщенные значения x_d =0

Отношение короткого замыкания (о. к. з.).

Отношением короткого замыкания &_о._к. ₃, согласно ГОСТ 183—66, называется отношение установившегося тока короткого замыкания /_к0 при токе возбуждения, который при холостом ходе и п = п_н дает Е = t/_H, к номинальному току якоря /„:

то есть о. к. з. равно обратному значению х_й*. У многих машин Ха* ~> 1, и тогда k_{0 к л} < 1, т. е. ток короткого замыкания в указанных условиях меньше номинального. Отсюда можно сделать вывод, что установившийся ток короткого замыкания синхронных генераторов (вообще относительно не очень велик, что объясняется сильной размагничивающей реакцией якоря.

Если »/о и ift — соответственно токи возбуждения на холостом ходу, когда U = £/„, и при установившемся коротком замыкании,

Как будет показано ниже (см. § 35-4), величина о. к. з., как и величина x_d, определяет предельную величину нагрузки, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы, причем, чем больше о. к. з., тем больше предельная нагрузка.

Поэтому о. к. з. является важным параметром синхронных машин. У гидрогенераторов обычно /г_о._к-3. = 0,8 -г 1,8, а у турбогенераторов к_0%ъ з = 0,4 ± 1,0.

В соответствии с изложенным в § 32-2 величина о. к. з. тем больше, чем больше величина зазора б между статором и ротором. Поэтому машины с большим о. к. з. дороже.'

Внешняя характеристика определяет зависимость U = f (/) при if = const, со§ ф = const, / — /_н ^и показывает, как изменяется напряжение машины U при изменении величины нагрузки и неизменном токе возбуждения. На схеме рис. 33-5, б внешняя характеристика снимается следующим образом: при i_f = const посредством изменения момента или мощности приводного двигателя изменяют ступенями активную мощность генератора Р и при уаждом значении Р с помощью регулируемого трансформатора РТ изменяют U на зажимах генератора так, что достигается необходимое значение cos ф.

Вид внешних характеристик при разных характерах нагрузки показан на рйс. 33-10, причем предполагается, что в каждом случае величина тока возбуждения отрегулирована щк, что при / = /_н также U = U_H. Отметим, что величина if при номинальной нагрузке (U =* U_a, I — /_н, cos ф = cos ф_н, / = /_н) называется номинальным током возбуждения.

Вид внешних характеристик синхронного генератора объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая / на рис. 33-10) существует значительная продольная размагничивающая реакция якоря (см. диаграммы рис. 33-1, а и 33-2, а), которая растет с увеличением тока нагрузки /, и поэтому U с увеличением / уменьшается. При чисто активной нагрузке (кривая 2 на рис. 33-10) ^акже имеется продольная размагничивающая реакция якоря, но угол ф между Е и / меньше, чем в предыдущем случае, поэтому продольная размагничивающая реакция якоря слабее и уменьшение U с увеличением / происходит медленнее. При опережающем токе (кривая of на рис. 33-10) возникает продольная

намагничивающая реакция якоря (см. рис. 33-1, б и 33-2, б), и поэтому с увеличением / напряжение U растет. Следует отметить, что значения if для трех характеристик 33-10 различны и наибольшее if соответствует характеристике 1.