Лабораторная работа № 2.2 Снятие угловых характеристик синхронного генератора.

Продолжительность работы: 4 часа.

Цель работы: Изучение работы синхронного генератора при изменении угла нагрузки .

Программа изучения:

1. Ознакомиться с теоретической частью.

2. Ознакомиться с конструкцией стенда.

3. Ознакомится с порядком выполнения работы.

4. Собрать схему лабораторной работы согласно указаниям.

5. Провести необходимые испытания.

6. Составить отчет по проделанной работе.

Краткие теоретические сведения:

Рассмотрим стационарный режим синхронной машины. На холостом ходу постоянный ток, протекая по обмотке возбуждения, создаёт магнитный поток Ф_f (рис. 1).

Рис. 1. Мгновенные потоки синхронной машины на холостом ходу

Часть этого магнитного потока Ф_d замыкается через железо статора. Другая часть – Ф_sf, которая называется магнитным потоком рассеяния ротора, замыкается по воздуху.

При вращении магнитного потока Ф_d в воздушном зазоре машины в обмотках статора наводятся ЭДС, значения которых для трёх фаз определяются формулами:

(1),

где , и – потокосцепления магнитного потока Ф_d с обмотками фаз (все величины выражены в относительных единицах, поэтому коэффициенты пропорциональности отсутствуют).

Учитывая основную гармонику магнитного потока, можно написать следующие выражения для потокосцеплений:

(2),

где – максимальное значение потокосцепления, получающееся при совпадении оси полюсов ротора с осью фаз; – произвольный угол.

Подставляя выражения (2) в (1) получим:

(3)

Из систем уравнений (2) и (3) следует, что вектор E_q отстаёт от векторов магнитного потока Ф_d и потокосцепления на угол 90°. При нагрузке генератора по статорным обмоткам протекают симметричные токи, отстающие от E_q на некоторый угол (= 0):

(4),

т.е. токи , , получаются как проекции вектора I на оси фаз А, В, С. [4, глава 6]

Рис. 2. Обобщенные векторы синхронной машины

Угловая характеристика синхронных генераторов при работе параллельно с сетью бесконечной мощности.

Зависимость момента синхронной машины от угла нагрузки Θ при U_c = const называется угловой характеристикой машины. В двигательном режиме угол Θ положительный, поэтому на графике двигательному режиму соответствует положительная полуволна синусоиды. В генераторном режиме угол Θ отрицательный, ему соответствует отрицательная полуволна синусоиды. В диапазоне угла нагрузки -90°<Θ<+90° (ветвь синусоиды показана сплошной линией) работа машины, как в двигательном, так и в генераторном режиме устойчива, а на участках кривой, изображённых штриховой линией, – неустойчива.

Принципиальной особенностью синхронного генератора, подключенного к сети постоянного напряжения и постоянной частоты, является способность автоматически (без участия операторов) поддерживать постоянной частоту вращения своего ротора. Мощность, отдаваемая генератором в сеть, будет определяться механическим моментом, развиваемым турбиной, вращающей ротор. В случае изменения этого механического момента, приводящего во вращение ротор, генератор без участия каких-либо внешних сил автоматически изменяет свой собственный электромагнитный момент, который противодействует вращению генератора. Сумма этих двух моментов становится равной нулю, и генератор продолжает вращаться с постоянной, синхронной скоростью. Состояние генератора с новым соотношением вращающего (от турбины) и тормозящего (внутреннего электромагнитного) моментов характеризуется так называемым углом нагрузки (рис. 3).

Рис. 3. Угловая характеристика синхронной машины.

Эта зависимость носит название угловой характеристики и представляет собой функцию тормозящего электромагнитного момента М_эм генератора (или электромагнитной мощности P_эм = М_эмΩ₁, где Ω₁ — угловая скорость ротора) от внутреннего угла нагрузки Θ. Для турбогенераторов угловая характеристика очень близка к синусоиде.

Рабочая точка, при которой функционирует генератор, обозначена индексом номинального режима Θ_ном и P_эм.ном причем Θ_ном выбирается таким, чтобы отношение максимума синусоиды P_эм.max к P_эм.ном было в пределах 1,5—1,8. Сама мощность P_эм.max и соответствующий ей максимальный момент M_эм.max — это максимально возможная мощность и максимально возможный тормозящий электромагнитный момент, развиваемые данным синхронным генератором. [2, глава 58-6]

Максимальный момент М_max машины является и критическим. Если нагрузить двигатель так, что М_с > М_max , то угол нагрузки Θ станет больше 90°, рабочая точка перейдёт на неустойчивый участок  угловой характеристики. Вращающий момент двигателя М начнёт уменьшаться, ротор тормозиться, двигатель выйдет из синхронизма и может остановиться. Аналогичные явления происходят и в генераторном режиме. Выход («выпадение») машины из синхронизма – явление недопустимое, оно может привести к тяжёлой аварии. [3]

В области углов Θ от 0 до 90 ° синхронный генератор способен самостоятельно поддерживать синхронное вращение. За пределами угла 90 ° он теряет эту способность и выпадает из синхронизма. [2, глава 58-6]

Данные для выполнения работы:

Электрическая схема соединений