Номинальное изменение напряжения синхронного генератора

At/_H — это изменение напряжения на зажимах генератора (при его работе отдельно от других генераторов) при изменении нагрузки от номинального значения до нуля и при неизменном токе возбуждения.

Синхронные генераторы обычно рассчитываются для работы с номинальной нагрузкой при отстающем токе и cos ф = 0,8. Соглас-

Рис. 33-10. Внешние характеристики синхронных генераторов

Рис. 33-11. Регулировочные характеристики синхронных генераторов

но кривой 1 на рис. 33-10, при этом А[/_н>0. Величина А[/_а действующими ГОСТ не регламентируется. Обычно

Величина А(/_н у турбогенераторов больше, чем у тидрогенера-раторов, так как у первых x_d больше.

Регулировочная характеристика определяет зависимость i_f = =/ (/) при U = const, cos ф = const и / = const и показывает, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизменным. По схеме рис. 33-5, б эта характеристика снимается следующим образом: изменяется ступенями активная мощность Р и при каждом значении Р величина i_f регулируется, так, что достигается cos ф = const. Ввиду изменения внутреннего падения напряжения в РТ одновременно с регулировкой if приходится также несколько регулировать напряжение РТ, чтобы поддержать U = — const. Вид регулировочных характеристик показан на рис. 33-11,

причем предполагается, что для всех изображенных там характеристик величина U одинакова.

Вид регулировочных характеристик также объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая } на рис. 33-11) продольная реакция якоря является размагничивающей и для компенсации ее влияния на величины Фв и U с увеличением / необходимо значительно увеличивать ток возбуждения if. При чисто активной нагрузке (кривая 2) размагничивающая продольная реакция якоря слабее и требуется меньшее увеличение if. При опережающем токе (кривая 3) продольная реакция якоря стремится уве-

личивать Фб и U, вследствие чего для сохранения U = const необходимо с увеличением / уменьшать if. Обычно cos ф_н = 0,8 (инд.), и поэтому при переходе от холостого хода (U = U_H; I — 0) к номинальной нагрузке (U — £/_н; / = /_н) необходимо значительно (до 1,7—2,2 раза) увеличить ток возбуждения. Это увеличение тем больше, чем больше x_d.

Нагрузочная характеристика определяет зависимость U = = f (if) при / = const, cos ф = const и / = const и показывает,, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока возбуждения if при условии постоянства тока нагрузки / и cos ф. Из числа разнообразных нагрузочных характеристик наибольший практический интерес представляет так называемая индукционная нагрузочная характеристика (рис. 33-12, кривая 2), которая соответствует чисто индуктивной нагрузке генератора, когда cos ф = 0 (инд.). Обычно она снимается для

I — /_н. По схеме рис. 33-5, б индукционную нагрузочную характеристику можно снимать так: с помощью РТ ступенями изменяют U на зажимах генератора и одновременно регулируют if так, что достигается / = const. Вместе с тем при необходимости несколько регулируют величину момента приводного двигателя так, Чтобы cos ф = 0.

Векторная диаграмма синхронного генератора при cos ф = 0 (инд.) изображена на рис. 33-13, причем принято, что г_а = 0. Из этой диаграммы видно, что в режиме индукционной характеристики существует чисто продольная размагничивающая реакция якоря (l_q — I cos i|) = 0; I_d = I sin гр = /). Поэтому индукционная характеристика (кривая 2 на рис. 33-12) идет ниже характеристики холостого хода (кривая /). Точка А на рис. 33-12 соответствует симметричному установившемуся короткому замыканию генератора при / = /„, когда U = 0 и также ij? = 90°. Так как -ф — §0°, то в режиме индукционной характеристики н. с. возбуждения и якоря складываются алгебраически, а !/_ни x_aat — арифметически (рис. 33-13).

Реактивный треугольник, или треугольник Потье. Реактивным треугольником синхронной машины называется Д СВА (рис. 33-12), вертикальный катет СВ которого равен Падению напряжения в со* противлении рассеяния якоря х_аа1_п, а горизонтальный катет СА равен н. с, реакции якоря в масштабе тока возбуждения k,_dI_u. Если известны: 1) ток возбуждения г_/к = ОА при коротком замыка-* нии и / — /_н, 2) сопротивление х_аа и 3) начальная прямолинейная часть х. х. х., то реактивный треугольник СВА нетрудно построить! как это следует из рис. 33-12. Составляющая ОС тока воз* буждения при коротком замыкании ОА индуктирует д. д. с. Ева = х_аа1_н, а другая составляющая этого тока СА компенсирует размагничивающее действие реакции якоря, и поэтому СА = к_ш1_ш.

Н. с. реакции якоря и x_aal_s в режиме индукционной характериЧ стики постоянны, так как х_в0 при / = const практически не зависть от величины результирующего потока в зазоре. Поэтому индукцией-' ную характеристику 2 (рис. 33-12) можно построить с помощь^ х. х. х. / и реактивного треугольника СВА, передвигая последний параллельно самому себе так, тчтобы его вершина В скользила по х. х. х. Тогда вершина А опишет характеристику 2. Одно из поло* жений этого треугольника {/\С'В'А' при U = 1/_И) показано на рис. 33-12, и справедливость указанного построения можно пояснить следующим образом.

Согласно кривой 2 на рис. 33-12, для получения (/„ = КА' при / = /_в и cos ф = 0 (йнд.) необходим ток возбуждения О/С. Составляющая t)K = С А' = С А этого тока компенсирует чисто, продольную размагничивающую реакцию якоря в этом режиме^

а составляющая OD = OK — DK должна индуктировать результирующую э. д. с. величиной

Из х. х. х. 1 (рис. 33-12) следует, что ток OD действительно индуктирует такую э. д. с.

Если х_аа и k_id неизвестны, то из изложенного следует, что с ло-мощью характеристик 1 к 2 (рис. 33-12)^ можно определить х_аа и величину л. с. реакции якоря. Действительно, при построении индукционной характеристики указанным выше образом вместо /\СВА можно было бы перемещать параллельно самому себе также /\ОВ'А'. Последний в рассматриваемом случае неизвестен, но известны его сторона О А = О'А' и £. АОВ = /. А'О^ГВ'. Отложив поэтому из некоторой точки А' характеристики 2 рис. 33-12 отрезок А'О' — — QA и проведя линию О'В' параллельно ОВ, найдем точку пересечения В' с кривой /. Опустив из точки В' вертикаль В'С, получим

а отрезок С А' определяет величину н. с. реакции якоря в масш* табе if.

Индуктивное сопротивление Потье. Опыт показывает, что опытная индукционная нагрузочная характеристика в действительности не вполне совпадает с характеристикой, построенной указанным выше о&разом с помощью х. х. х. и реактивного треугольника, а отклоняется от нее вправо тем больше, чем больше U (штриховая кривая на рис. 33-12). Причина этого заключается в том, что хотя для точки В' х. х. х. и точки А' индукционной характеристики величины э. д. с. Яа и потока Фа одинаковы, соответствующие токи возбуждения 0D и ОК неодинаковы. Так как OK > QD, то в режиме индукционной характеристики-поток рассеяния обмотки возбуждения больше, что вызывает увеличение насыщения полюсов и ярма индуктора. Поэтому при одинаковых £б в режиме индукционной характеристики в действительности необходимо увеличение if на некоторую величину А'А".

Вследствие изложенного при указанном выше методе определения Ход. вместо, отрезка А'С = С А в действительности откладывается отрезок А -С" — QA и находится отрезок С"В" > С В'. Поэтому вместо х_аа [см. равенство (33-14)] получим сопротивление

которое называется индуктивным сопротивлением Потье или расчетным индуктивным сопротивлением рассеяния обмотки якоря.

У неявнополюсных машин х_р « (1,05 -н 1,10) х_аа, а у явно-полюсных х_р« (1,1 -г- 1,3) лг_ста, причем величина *_р зависит также от расположения точки А" на индукционной характеристике. Сопротивление х_р используется при некоторых расчетах и построениях.

Потери и к. п. д. синхронных машин рассчитываются в главных чертах так же, как и у машин постоянного тока и асинхронных, причем в потери возбуждения включаются также потери в регулировочных реостатах и потери в возбудителе или в возбудительном агрегате. Значения к. п. д. для ряда гидро- и турбогенераторов приведены в табл. 19-2 и 19-3.

§ 33-3. Построение векторных диаграмм напряжений с учетом насвщения

Диаграмма Потье. При проектировании и эксплуатации синхронных машин возникает необходимость определения тока возбуждения, нужного для обеспечения заданного режима работы (U, /, coscp), с учетом насыщения магнитной цепи. С этой целью для неявнополюсных генераторов пользуются диаграммой Потье, которая строится следующим образом (рис. 33-14).

При заданных U, I и cos ф строят векторы О и / и к вектору О прибавляют векторы падении напряжен ния rj и \x_aat. При этом получают э. д. с. Ё₆> которая индуктируется результирующим потоком зазора

Фв и определяет поэтому степень насыщения магнитной цепи в данном режиме работы. Затем по х. х. х. находят необходимую для создания £₆ н. с. F_fe или ток if_e возбуждения. Вектор Ff_C (ife) опережает вектор Ё& на 90°. Полная н. с. Ff (ij) возбуждения равна разности Fje (*'/е)^и приведенной н. с. F'_a = k_aF_a (/' = k_idt) якоря.

Рис. 33-14 Диаграмма Потье (сплошные линии) и диаграмма напряжений (штриховые линии) насыщенного неявнополюсного синхронного генератора

Диаграмма Потье (рис. 33-14) состоит, таким образом, из двух частей: диаграммы э. д. с. или напряжений и диаграммы н. с. Последнюю следует рассматривать как пространственную диаграмму н. с.

При практическом пользовании диаграммой Потье ее совмещают с х. х. х. (рис. 33-15). При этом вектор О направляют по оси ординат, величину Ё& сносят на эту же ось и на х. х. х., в результате чего находят ток it_e. К этому току под углом 90° + Ф + б прибавляют /' = k_idl, в результате чего находят ток if. Если ток if снести на ооь абсцисс, то по х. х. х. можно найти напряжение U_o,'которое получится nocyie сброса нагрузки при неизменной величине if, а также изменение напряжения Д£/.

Диаграмма рис. 33-15 построена в относительных единицах для -номинальной нагрузки U* = 1, /* = 1, cos <p = 0,8 (инд.), причем использована нормальная х. х. х. турбогенератора (рис. 33-6) и принято, что г_а = 0.

В диаграмме Потье н. с. реакции якоря не раскладывается на составляющие по осям d и q, и поэтому диаграмма Потье действительна только для неявнополюсных машин. Тем не менее иногда ею пользуются также для

явнополюсных машин, так как опыт показывает, что ошибка в определении if при этом в случае cos ср = 0,8 обычно не превышает 5—10%. Приведение полного тока7 или н. с. якоря F_a к обмотке возбуждения производится так же, как приведение продольного тока н. с. якоря [см. равенства (32-46) и (32-50)].

При построении диаграммы Потье обычна вместо д-_6а/ откладывают х_р/, что дает более точные результаты, так как при этом учитывается повышенное насыщение магнитной цепи индуктора от потока рассеяния возбуждения.

Диаграмма неявнополюсного генератора рис. 33-4 действительна во всех случаях, если при ее построении использованы насыщенные значения параметров x_ad и x_d, соответствующие реальному

Рис. 33-15. Совмещение диаграммы Потье с характеристикой холостого хода

состоянию насыщения магнитной цепи в данном режиме работы. Рассмотрим этот вопрос на примере рис, 33-14 и 33-16, на которых для этой цели штриховыми линиями произведены дополнительные построения.

Вектор э. д. с. Ё, индуктируемой н. с. F_f) должен быть перпендикулярным вектору Ff (рис. 33-14). Если продолжить линию век^ .тора fx_aal до пересечения с направлением вектора Ё, то получим отрезки -А В и ОВ, которые должны быть соответственно равны jx_adl и Ё, причем как величина x_ad, так и Е представляют собой насыщенные значения, соответствующие данному режиму работы. Очевидно, что получаемая таким образом диаграмма э. д. с. (рис. 33-14) ничем не отличается от диаграммы на рис. 33-4, а.

Треугольники ОАВ и О А В' (рис. 33-14) вследствие перпендикулярности сторон подобны. Поэтому

Из сравнения (33-16) и (33-17) видно, что Е = DD'. Следовательно, насыщенное значение Е для данного значения if необходима брать по спрямленной насыщенной х, х. х. Это вполне естественно» так как на рис. 33-15 £_а = СС определяет степень насыщения магнитной цепи машины в рассматриваемом режиме работы и при данном, неизменном состоянии насыщения все потоки и э. д. с, про* порциональны соответствующим н. с.

На рис. 33-15 проведена также ненасыщенная спрямленная х. х. х. OC'D". По ней получим ненасыщенные значения э. д. с, Е_6са = СС" и Еа= = DD", причем

причем

Таким образом, насыщенное зачение сопротивления х_аа, которое необходимо использовать дли построения векторных диаграмм вида рис. 33-4 и 33-14, в &_й раз меньше его ненасыщенного значения x_adaa.

Если в результате построения диаграммы известна величина Е, то соответствующее, необходимое для обеспечения данного режима работы значение if можно найти по спрямленной насыщенной х. х. х.

Очевидно, что если при построении диаграммы рис. 33-4 от конца вектора x_ml вместо x_adt откладывать Xadcof, то угол нагрузки в получится больше действительного. Отсюда следует, что использование при построении векторных диаграмм ненасыщенных значений параметров приводит к неправильным результатам.

При увеличении сторон Д ОАВ (рис. 33-14) в &_м раз получим диаграмму э. д. с. ОА"В" эквивалентного ненасыщенного генератора.

Диаграммы явнополюсного генератора рис. 33-1 и 33-2 также действительны для любого режима работы, если в них используются насыщенные значения х_аа, x_aq или Xj, x_q, соответствующие состоянию магнитной цепи в данном режиме работы.

Точно учесть действительные условия насыщения в явнополюс-ной машине ^труднее, так как при насыщенной магнитной цепи величина поперечного потока Ф_? влияет на величину продольного потока Ф_й и-наоборот. Поэтому величина х_аа зависит не только от Ф^, но и от Ф₉. Это же справедливо и для⁴ величины x_aq. При этом коэффициенты насыщения k^ и к_м в равенствах (32-34) и (32-35) также различны и сложным образом зависят друг от друга. Хорошо проверенных данных и рекомендаций для учета этих обстоятельств в настоящее время нет, и на практике пользуются упрощенными, приближенными приемами.

Построение векторной диаграммы явнополюсного генератора с учетом насыщения можно произвести приближенно следующим образом.

При'заданных U, I, cos~q>, r_a и х_р находят Е_& (рис. 33-16) й, отложив затем по направлению- х_р1 величину

^ая ^ \ "-"Й

определяют направление вектора Ё.

Проведенные исследования показывают, что поток Ф_? вместе с потоком Ф_а вызывают заметное насыщение зубцов якоря и полюсных наконечников явнополюсной машины и поэтому k_M = = 1,2-4-1,6. Для первого приближения можно взять некото-рое значение k_M в указанных пределах.

При заданном k^q величина x_aq может считаться известной по выражениям (32-34) и (32-35). Величину Еадоэ/cos -ф можно найти также по спрямленной

Рис. 33-16. Векторная диаграмма напряжений насыщенного явнополюс-ного синхронного генератора

ненасыщенной х. х. х. (рис. _х 33-17), если весь ток якоря / или н. с. F_a привести к обмотке возбуждения по формулам:

После построения вектора x_aqt из векторной диаграммы рис. 33-16 находим величины -ф, I_d, I_q и E&_d. Величина потока в сердечнике якоря и степень насыщения сердечника определяются величиной 'Е&, а величина основного потока в сердечнике индуктора и степень'

Рис. 33-17. Определение э. д. с. насыщенного явнополюсного синхронного генератора

насыщения индуктора — величиной E_6d. Учитывая, что при нагрузке генератора зубцовая зона якоря и полюсные наконечники дополнительно насыщены поперечным потоком Ф_д, можно приближенно принять, что насыщение всей магнитной цепи определяется величиной £₆.

Отложив Е& — СС на х. х. х. (рис. 33-17) и проведя насыщенную спрямленную х. х. х. OCD', получим

по выражениям (32-34) и (32-35) или по данным опытов холостого хода и короткого замыкания можно считать известной. Отложив на рис. 33-16 x_adl_d, найдем £ и по DD' = Е на рис. 33-17 определим величину i_f = OD при данном режиме работы. Вместе величины х_аа1_а можно также отложить равную ей величину E_ad, которую можно найти по спрямленной насыщенной х. х. х. (рис. 33-17) по величине

l'd*=kidh ИЛИ F'_ad=k_dl_d.

После такого построения диаграммы, когда угол -ф и токи I_d, I_q определены, можно приближенными методами [6] уточнить значения кцд и x_aq и произвести повторное, уточненное построение диаграммы.

Если умножить на рис. 33-16 векторы

£ — Е6d ~\~ Ead — Е6d 4" ^xad'd

на кцц, то получим значения этих векторов, приведенные к ненасыщенному состоянию машины и соответствующие ненасыщенной спрямленной х. х. х. (рис. 33-17):

Ею ⁼ £ 6d<x ~г ^ adca ⁼ t!- 6dco "T Xadoo' d'

Эти величины изображены на рис. 33-17.

Рассмотренные способы учета насыщения следует считать приближенными. В настоящее время разрабатываются и предлагаются также другие способы учета насыщения.