ЭМА / Sinkhronniki

1.Назначение и принцип действия синхронного генератора

Назначение СГ: используются на всех электрических станциях в качестве источников переменного тока, применяется в процессе производства электроэнергии.

Принцип действия: СГ состоит из неподвижной части -ста­тора и вращающейся части -ротора. Статоры СГ состоят из корпуса, сердечника и обмот­ки. Роторы СМ могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную. Ротор СМ имеет обмотку возбуждения, подключенную через два контактных кольца и щетки к источнику постоянного тока. Назначение обмотки возбуждения - создание в машине основного магнитного потока. Ротор вместе с обмоткой возбуждения называется индуктором. Если ротор СМ привести во вращение с частотой вращения п и возбудить его, то поток возбуждения Ф_f будет индуктировать в обмотке якоря ЭДС с частотой . ЭДС обмотки якоря составляют симметричную трехфазную систему и при подключении к обмотке якоря генератора симметричной нагрузки, эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора. При нагрузке обмотка якоря создает свое вращающееся магнитное поле, которое вращается в том же направлении, что и ротор с частотой . Поля якоря и ротора вращаются с одинаковой частотой и неподвижны друг относительно друга.

2. Уравнение равновесия напряжений фазы обмотки якоря явнополюсного СГ. Поясните составляющие этого уравнения.

Уравнение равновесия напряжений СГ выглядит:

Здесь Е₀ – ЭДС в фазе статора наводимая потоком обмотки возбуждения

E_ad – ЭДС индуцируемая в обмотке якоря потоком продольной реакции якоря Ф_ad

E_aq - ЭДС индуцируемая в обмотке якоря потоком поперечной реакции якоря Ф_aq

E_a - ЭДС рассеяния индуцируемая в фазе обмотке якоря потоком рассеяния обмотки якоря Ф_a

r_a – активное сопротивление фазы обмотки якоря

3.Уравнение равновесия напряжений фазы обмотки якоря неявнополюсного СГ. Поясните составляющие этого уравнения.

Уравнение равновесия напряжений СГ выглядит:

Здесь Е₀ – ЭДС в фазе статора наводимая потоком обмотки возбуждения

- индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора

- индуктивное сопротивление продольной реакции якоря в следствии равномерности воздушного зазора

r_a – активное сопротивление фазы обмотки якоря

4. Реакция якоря в явнополюсном СГ (ψ=0): изобразить схему поперечного вида с упрощенной трехфазной обмоткой якоря и явнополюсным индуктором, показать силовые линии потока обмотки якоря, сделать необходимые пояснения.

При чисто активной нагрузке намагничивающая сила якоря искажает основное поле по направлению не изменяя его по величине.

ЭДС фазы А максимальна, а т.к. угол ψ=0 то ток фазы А тоже будет максимален , а в остальных фазах .

При этом реакция якоря действует по поперечной оси, под действием поперечной реакции якоря один край полюса индуктора подмагничивается, а другой край размагничивается. Если бы магнитная система была ненасыщенной, то подмагничение одного края полюса и размагничение другого не повлияли бы на изменение результирующего магнитного потока. Учитывая то, что современные ЭМ общего назначения имеют определенное насыщение магнитной системы, то поперечная реакция якоря будет оказывать небольшое размагничивающее действие, то есть под ее действием результирующий магнитный поток станет меньше потока , созданного обмоткой возбуждения.

5. Реакция якоря в явнополюсном СГ (ψ=90): изобразить схему поперечного вида с упрощенной трехфазной обмоткой якоря и явнополюсным индуктором, показать силовые линии потока обмотки якоря, сделать необходимые пояснения.

При чисто индуктивной нагрузке реакция якоря уменьшает (размагничивает) основное поле возбуждения.

Магнитодвижущая сила и поток, создаваемые обмоткой якоря направлены вдоль оси и причем встречно с МДС и потоком обмотки возбуждения

В этом случае угол между ЭДС обмотки якоря и током равен 90 градусов. Это означает что максимум тока в фазе А наступит по сравнению с активной нагрузкой на четверть периода позднее, когда ротор повернется на 90 градусов по часовой стрелке. При отстающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является размагничивающей, а результирующий магнитный поток будет меньше потока обмотки возбуждения.

6. Реакция якоря в явнополюсном синхронном генераторе (ψ=-90): изобразить схему поперечного вида с упрощенной трехфазной обмоткой якоря и явнополюсным индуктором, показать силовые линии потока обмотки якоря, сделать необходимые пояснения.

В этом случае угол сдвига между ЭДС и током равен -90 градусов. Это означает что максимум тока в фазе А наступит по сравнению с активной нагрузкой на четверть периода раньше. При опережающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является намагничивающей (продольная намагничивающая реакция якоря), то есть результирующий магнитный поток будет больше потока обмотки возбуждения.

7. Реакция якоря СГ при активно-индуктивной нагрузке.

При смешанной нагрузке, когда Ψ≠0 и Ψ≠±90⁰ ток можно разложить на две составляющие , .

Одна из этих составляющих I_q совпадает по фазе с ЭДС и носит название поперечного тока, а другая составляющая перпендикулярна ЭДС и носит название продольного тока.

8. Реакция якоря СГ при активно-емкостной нагрузке.

При смешанной нагрузке, когда Ψ≠0 и Ψ≠±90⁰ ток можно разложить на две составляющие , .

Одна из этих составляющих I_q совпадает по фазе с ЭДС и носит название поперечного тока, а другая составляющая перпендикулярна ЭДС и носит название продольного тока.

9.Изобразите векторную диаграмму токов, потоков, ЭДС явнополюсного синхронного генератора (0<ψ<90), дайте наименование всем векторам, сделайте необходимые пояснения.

Е-это вектор ЭДС, наведенной основным магнитным потоком в фазе обмотки якоря;

Е_ad-это вектор ЭДС, наведенной потоком магнитодвижущей силы продольной составляющей тока;

Е_aq-это вектор ЭДС, наведенной потоком магнитодвижущей силы поперечной составляющей тока;

Е_δ-это вектор ЭДС, наведенной результирующим магнитным потоком;

I_d- это вектор продольной составляющей тока;

I_q-это вектор поперечной составляющей тока;

Ф_аd-это вектор магнитного потока продольной реакции якоря;

Ф_аq-это вектор магнитного потока поперечной реакции якоря;

Ф_f-это вектор магнитного потока созданного в обмотке возбуждения;

Ф_δ-это вектор результирующего магнитного потока.

10.Изобразите векторную диаграмму напряжений явнополюсного СГ при симметричной активно-индуктивной нагрузке, дайте наименования векторам, сделайте необходимые пояснения.

Используя векторную диаграмму ЭДС построим векторную диаграмму напряжения генератора при активно-индуктивной нагрузке, просуммировав с вектором Е_δ векторы падений напряжения на активном () и индуктивном (r_σa) сопротивлениях фазы обмотки якоря. Угол θ между векторами Е и U называется углом нагрузки. В генераторном режиме работы Е опережает U, и угол θ имеет всегда положительное значение, машина отдает активную мощность в сеть.

По оси ординат откладываем Е, это ЭДС наводимая в фазе статора потоком обмотки возбуждения. Т.к. нагрузка активно-индуктивная то ток в фазе статора отстает от ЭДС на угол . Ток раскладывается на продольную и поперечную составляющие.

Е-это вектор ЭДС, наведенной основным магнитным потоком в фазе обмотки якоря;

Е_ad-это вектор ЭДС, наведенной потоком магнитодвижущей силы продольной составляющей тока;

Е_aq-это вектор ЭДС, наведенной потоком магнитодвижущей силы поперечной составляющей тока;

Е_δ-это вектор ЭДС, наведенной результирующим магнитным потоком;

Е_σа-это вектор ЭДС рассеяния фазы обмотки якоря;

-Ir_а-это вектор падения напряжения на активном сопротивлении фазы обмотки якоря;

I_d- это вектор продольной составляющей тока;

I_q-это вектор поперечной составляющей тока.

11.Изобразите векторную диаграмму напряжения неявнополюсного СГ при активно-индуктивной нагрузке, дайте наименования векторам, сделайте необходимые пояснения.

Вследствие равномерности воздушного зазора ,, поэтому нет необходимости раскладывать ток якоря на составляющие и . С вектором Е просуммируем векторы падений напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении и активном сопротивлении фазы обмотки якоря.

При работе СГ на активно – индуктивную нагрузку, т.е. с током I, отстающим по фазе от ЭДС Е, напряжение на выводах обмотки статора U с увеличением нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающим влиянием реакций якоря. Угол θ между векторами Е и U называется углом нагрузки.

Е-это вектор ЭДС, наведенной основным магнитным потоком в фазе обмотки якоря;

Е_ad= это вектор ЭДС, наведенной потоком магнитодвижущей силы продольной составляющей тока;

Е_σ-это вектор ЭДС, наведенной результирующим магнитным потоком;

Еσа= это вектор ЭДС рассеяния фазы обмотки якоря;

-Ir_а-это вектор падения напряжения на активном сопротивлении фазы обмотки якоря;

12.Изобразите и поясните характеристику холостого хода СГ, запишите условия, при которых она получена.

ХХ:

Характеристика ХХ представляет собой зависимость ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря Е, от тока в обмотке возбуждения I_в при неизменной частоте вращения ротора. Эта характеристика позволяет оценить насыщение магнитной цепи машины, ее используют для построения векторных диаграмм и других характеристик машины.

Рабочая точка А на хар-ке ХХ располагается на участке перегиба характеристик. Хар-ка 1 совпадает с ненасыщенным участком характеристики холостого хода и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи машины.

Под коэффициентом насыщения магнитной цепи k_н понимают отношение суммарной МДС (отрезок ВА) к МДС воздушного зазора(отрезок ВС). Для СМ общего назначения k_н=1,1-1,3.

Выбор рабочей точки в области насыщения приводит к резкому увеличению тока возбуждения. Обмотка возбуждения становится громоздкой. Выбор рабочей точки на линейной части приводит к недоиспользованию магнитных материалов машины, увеличивает их расход.

13.Изобразите и поясните нагрузочную характеристику СГ, запишите условия, при которых она получена.

Нагрузочная характеристика

Она показывает, как изменяется напряжение генератора U c изменением тока возбуждения i_f при условии постоянства тока нагрузки I и cos.

Характеристика холостого хода (1). Так как ток при cosφ=0 является практически реактивным, то I=I_d и реакция якоря в этом случае будет продольной размагничивающей. Вследствие этого, а также из-за падения напряжения в цепи якоря нагрузочная характеристика будет проходить ниже характеристики холостого хода.

Нагрузочная характеристика (2). Точка А, соответствующая короткому замыканию , может быть получена из характеристики короткого замыкания по току I, при котором снималась нагрузочная характеристика.

14.Изобразите и поясните внешнюю характеристику СГ, запишите условия, при которых она получена.

Внешние характеристики выполняются при условии:

Они показывают, как изменяется напряжение генератора U при изменении тока нагрузки I. На характер внешних характеристик сильное влияние оказывает cosφ. Для всех характеристик исходной точкой являлась точка, соответствующая номинальному напряжению при номинальном токе якоря. Изменение тока I производится нагрузочным резистром, включенном в цепь якоря. Вид внешних характеристик при разных характерах нагрузки объясняется различным действием реакции якоря. При отстающем токе (1) с уменьшением тока напряжение на выводах машины возрастает, существует продольная размагничивающая реакция якоря. Чем ниже cos φ, тем сильнее влияние продольной реакции якоря, вследствие чего напряжение при уменьшении тока будет увеличиваться резче. При активной нагрузке (2) также имеется продольная размагничивающая реакция якоря, вследствие ослабления действия которой при уменьшении тока напряжение будет увеличиваться, но в меньшей мере. При опережающем токе (3) напряжение уменьшается при снижении тока вследствие существования продольной намагничивающей реакции якоря.

По внешним характеристикам определяют - изменение напряжения на клеммах обмотки якоря генератора от величины нагрузки:

,

где Е – ЭДС холостого хода.

15.Изобразите и поясните регулировочную характеристику СГ, запишите условия, при которых она выполняется.

Регулировочные характеристики в выполняются при условии:

Они показывают, как нужно регулировать ток возбуждения I_В синхронного генератора, чтобы при изменении тока нагрузки I его напряжение на выводах генератора оставалось неизмененным. Предпологается, что характер нагрузки и частота вращения при этом остаются постоянными. Вид характеристик зависит от характера действия реакции якоря. При активно – индуктивном и активном характере нагрузки в машине существует продольная размагничивающая реакция якоря, которая при увеличении тока якоря возрастает, поэтому характеристики имеют возрастающий характер. Чтобы сохранить постоянным напряжение, необходимо при росте нагрузки компенсировать размагничивающее действие продольной реакции якоря за счет увеличения тока возбуждения. При активно-емкостной нагрузке продольная реакция якоря намагничивающая и для сохранения потока и ЭДС на нужном уровне ток в обмотке возбуждения нужно уменьшать. Регулировочная характеристика для данного случая будет иметь падающий вид.

16.Характеристика короткого замыкания СГ: изобразить характеристики при однофазном, двухфазном и трехфазном коротком замыкании, записать условия при которых они получены, объяснить поведение характеристик и их взаимное расположение.

Характеристика трехфазного короткого замыкания выполняется при условии:

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря ( r_a =0), то уравнение напряжения в режиме короткого замыкания имеет вид , где

Вследствие малости величины падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния фазы обмотки якоря следует, что ЭДС от результирующего магнитного потока индуктируется магнитным потоком малой величины, магнитная цепь не насыщена и характеристика имеет линейный возрастающий характер.

17.Параллельная работа СГ: условия включения на параллельную работу, контроль соблюдения условий, дать понятие синхронизации.

На каждой электрической станции обычно установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу. В современных энергосистемах на параллельную работу включены целый ряд электростанций, чем достигается высокая надежность энергоснабжения потребителей, возможность маневрирования энергоресурсами. Существует 2 способа включения СГ на параллельную работу с сетью: способ точной синхронизации и способ самосинхронизации (грубой синхронизации).

Условия включения генератора на параллельную работу:

1. Равенство ЭДС включаемого генератора Е_Г и напряжения сети U_С,

2. Частота генератора f_Г должна быть равной частоте сети f_С

3. ЭДС генератора Е_Г и напряжение сети U_С должны находиться в фазе;

4. Чередования фаз ЭДС генератора и напряжения сети должно быть одинаковым.

При указанных условиях векторы генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой частотой, разности ЭДС и напряжений между одноименными контактами выключателя при включении генератора равны нулю

Равенство ЭДС и напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора, а контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы ЭДС генератора достигается изменением частоты вращения ротора генератора. Правильность чередования фаз проверяется только при первом включении генератора.

Приведение генератора в состояние удовлетворяющее всем условиям включения на паралельную работу называется синхронизацией. Синхронизация-это обеспечение первых трех условий для параллельной работы и подключение генератора к сети в надлежащий (разумный) момент времени.

18.Синхронизация синхронных генераторов малой мощности: изобразить электрическую схему на погасание света, дать необходимые пояснения.

Существует два способа синхронизаций СГ малой мощности:

1)С помощью лампового синхроноскопа (на погасание или вращение света); 2)С помощью нулевого вольтметра.

Рассмотрим способ синхронизации с помощью лампового синхроноскопа на погасание света.

Генератор состоит из трех ламп /, 2, 3, расположенных в вершинах равностороннего треугольника. При включении ламп по схеме «на погасание» момент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп, вследствие того, что напряжения между точками А-А¹, В-В¹, С-С¹ равны 0. Предположим, что звезда ЭДС генератора Еа, Ев, Ес вращается с угловой частотой _г, превышающей угловую час­тоту вращения _с звезды напряжений сети Ua, Uв, Uс. В этом случае напряжение на лампах определяется геометрической суммой Еа+ Ua, Ев+Uв, Ес+Uс. В момент совпадения век­торов звезды ЭДС с век­торами звезды напряже­ний эта сумма достигает наибольшего значения, при этом лампы горят с наибольшим накалом (на­пряжение на лампах равно удвоенному напряжению сети). В последующие мо­менты времени звезда ЭДС обгоняет звезду напряжений и напряжение на лампах уменьшается. В момент синхро­низации векторы ЭДС_ и напряжений занимают положение, при котором Еа+ Ua=0, Ев+Uв=0, Ес+Uс=0 и все три лампы одновременно гаснут. Изменяя скорость вращения первичного двигателя добиваются равенства г=с о чем свидетельствует погасание ламп на длительное время.

19.Синхронизация синхронных генераторов малой мощности: изобразить электрическую схему на вращение света, дать необходимые пояснения.

Существует два способа синхронизаций СГ малой мощности:

1)С помощью лампового синхроноскопа (на погасание или вращение света); 2)С помощью нулевого вольтметра.

Рассмотрим способ синхронизации с помощью лампового синхроноскопа на вращение света. В данной схеме одна из ламп подключается к точкам одной фазы А¹-А¹¹, а две другие – между точками разных фаз В¹-С¹¹ и С¹-В¹¹. В этой схеме до включения выключателя Q лампы будут попеременно загораться и гаснуть. Это будет происходить из-за взаимного перемещения векторов напряжения и ЭДС , вызванного несовпадением их частот. Включение выключателя Q должно быть произведено, когда одна лампа (между А¹-А¹¹) погаснет, а две другие лампы будут гореть с одинаковым накалом. Перед включением выключателя Q следует добиться, чтобы вращение света происходило с небольшой скоростью, что достигается регулированием скорости приводного двигателя.

21.Угловая характеристика активной мощности возбужденной явнополюсной СМ: изобразить угловую характеристику, записать условия, при которых она получена, дать необходимые пояснения.

Данная характеристика активной мощности получена при условии:

1,2- составляющие активной мощности

3- итоговая (результирующая) кривая активной мощности

Уравнение для угловой характеристики активной мощности явнополюсной СМ:

Уравнение для угловой характеристики активной мощности явнополюсной СМ имеет две составляющие. Первая составляющая зависит как от напряжения, так и от ЭДС, созданной магнитодвижущей силой обмотки возбуждения. Вторая составляющая не зависит от возбуждения машины. Она возникает вследствие различия в индуктивных сопротивлениях по продольной и поперечной осям. За счет этой составляющей явнополюсный генератор может работать параллельно с сетью и при отсутствии тока возбуждения, когда Е=0. В этом случае магнитный поток будет создаваться только реакцией якоря. При номинальном возбуждении амплитуда второй составляющей мощности составляет 20-35% амплитуды первой, основной составляющей.

Максимальная мощность, которая определяет статическую перегружаемость в явнополюсной машине, будет иметь место при θ<π/2.

22.Угловая характеристика активной мощности невозбужденной явнополюсной СМ: изобразить угловую характеристику, записать условия, при которых она получена, дать необходимые пояснения.

Данная характеристика активной мощности получена при условии:

Уравнение для угловой характеристики активной мощности невозбужденной явнополюсной СМ:

Если U_*=1,x_d*=1,1

X_q*=0,75, то Р_*=0,2sin2θ

Синхронная явнополюсная при повреждении способна отдавать в сеть активную мощность.

20.Угловая характеристика активной мощности неявнополюсной СМ: изобразить угловую характеристику, записать условия, при которых она получена, дать необходимые пояснения.