Синхронный генератор

Ротор генератора приводится во вращение с постоянной частотой n от приводного двигателя, в качестве которого может выступать паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания или электрический двигатель. Если в обмотку ротора подается ток возбуждения, то вместе с ротором вращается магнитное поле возбуждения, которое согласно закону электромагнитной индукции наводит в неподвижной трехфазной обмотке якоря (статора) трехфазную синусоидальную систему ЭДС с действующим значением E₀:

Схема полей статора и

ротора синхронного генератора- хронный генератор

,

где K_об – обмоточный коэффициент якоря; f = pn/60 – частота синусоидальных ЭДС якоря; w – число витков одной фазы обмотки якоря; Ф_mв – амплитуда потока возбуждения.

Действующее значение каждой фазной ЭДС – Е_А, Е_В, Е_С равны по значению и отстают друг от друга на угол 120°.

Упрощенные схема замещения и векторная диаграмма синхронного генератора

Оси потока возбуждения и результирующего потока смещены на некоторый угол θ (зависящий от величины нагрузки), у генератора ось результирующего потока отстает от оси потока возбуждения (см. рис.). Поле ротора как бы «тянет» за собой поле якоря, при этом на валу ротора создается тормозной момент M_т, направленный против вращающего момента приводного двигателя M_пд. Пренебрегая активным сопротивлением обмоток и потоком рассеяния якоря, схеме замещения одной фазы якоря можно придать вид правого рис. , а, где X_сн – синхронное индуктивное сопротивление фазной обмотки якоря, учитывающее ЭДС самоиндукции, наводимую в обмотке вращающимся полем якоря. Для схемы замещения рис.,а получаем упрощенное уравнение ЭДС генератора:

E; (₀ = U; ( + jX_снI; (_я, где U; ( – фазное напряжение статора.

Схема замещения якоря (а) и векторная диаграмма (б) синхронного генератора

E; (₀ = U; ( + jX_снI; (_я,

Если к якорю генератора подключается активно-индуктивная нагрузка, например асинхронный двигатель, то ток якоря отстает на угол φ от напряжения статора и векторная диаграмма принимает вид, показанный на рис. , б.

Индуктивное напряжение jX_снI; (_я,, задаваемое вторым слагаемым в формуле, опережает ток якоря I; (_я на угол 90°. Угол θ между векторами E; (₀ и U; ( равен углу между осями потоков Ф_в и Ф (рис.) и называется углом нагрузки или углом рассогласования.

Реакция якоря. При подключении обмотки якоря к трехпроводной сети по ней протекает ток якоря I_я , создающий магнитный поток Ф_я . Воздействие магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией якоря и зависит от характера нагрузки, т. е. от угла сдвига фаз между ЭДС и током якоря.

На рис. а показаны обмотка возбуждения генератора в виде одного витка фазы А статора и картина магнитных потоков при активной нагрузке, когда угол между векторами ЭДС и тока равен 0 (Ψ =0). При указанном направлении вращения ротора по правилу правой руки определяется направление ЭДС в проводниках фазы А. Так как проводники располагаются на осевой линии полюсов, то в них индуцируются максимальные значения основной ЭДС (+Е_0М и – Е_0М). При активной нагрузке по проводникам фазы А протекают в этот момент времени максимальные токи ( +I_м и – I _м).

Магнитный поток Ф_я создается токами трех фаз и вращается с частотой

n = 60f/p, т. е. с той частотой, что и основной магнитный поток. Результирующий магнитный поток Ф, равный сумме основного потока и потока якоря (Ф = Ф₀ + Ф_я), вращается с синхронной скоростью. Этот поток, как и основной, неподвижен относительно ротора.

Рассмотрим векторные диаграммы магнитных потоков и ЭДС синхронного генератора при различных углах Ψ - углом между векторами тока и ЭДС.

При активной нагрузке Ψ = 0 (рис.а) по фазе ток I совпадает с ЭДС Е₀ . ЭДС Е₀ индуцируется основным магнитным потоком Ф_0. и отстает от него на угол 90°. Поток якоря Фяq совпадает с током по фазе, а ЭДС Ея, индуцируемая вращающимся потоком Фя в обмотке якоря, отстает от него по фазе на угол 90°. Значение Ея определяется по формуле аналогичной

ЭДС Ея – это ЭДС самоиндукции, пропорциональной потоку Фяq или

току I . Поэтому

Ėя = – jХяİ_,,

где Хя – индуктивное сопротивление обмотки статора, обусловленное магнитным потоком якоря.

Результирующие магнитный поток Ф и ЭДС Ė находят из уравнений

Ф = Ф₀ + Ф_я

Ė = Ė₀ + Ė_я

При индуктивной нагрузке, когда Ψ =90° (рис.b), по фазе ток I отстаёт от ЭДС Е₀ но угол 90°, а магнитный поток Фяd совпадает по фазе с током I

( рис.b). При индуктивной нагрузке поток якоря Фяd направлен навстречу основному потоку Ф и поэтому является размагничивающим. Индуктивная нагрузка уменьшает результирующий магнитный поток и результирующую ЭДС Ė.

При ёмкостной нагрузке, когда Ψ = – 90° (рис.в), по фазе ток I опережает ЭДС Е₀ но угол 90°и магнитный поток Фяd совпадает по фазе с током I

( рис.в). При ёмкостной нагрузке поток якоря Фяd совпадает с основным магнитным потоком Ф и поэтому является намагничивающим. Ёмкостная нагрузка увеличивает результирующий магнитный поток и результирующую ЭДС Ė.

Следовательно, если нагрузка активно – индуктивная, то реакция якоря размагничивающая, а если активно – ёмкостная, то намагничивающая.

Характеристики синхронного генератора.

Характеристика холостого хода – зависимость ЭДС статора Е₀ от тока возбуждения I_в при токе статора I = 0, частоте вращения n = const (что равносильно f = const). Так как основной магнитный поток создается током возбуждения, а между ЭДС Е₀ и потоком Ф_0m имеет место линейная зависимость, то характеристика холостого хода генератора Е₀ = f(I_в) имеет тот же вид, что кривая намагничивания.

Внешняя характеристика – зависимость напряжения статора от тока якоря U = f(I_я). Она снимается при n= const, I_в= const, φ = const. Обычно выбирают такое значение тока возбуждения, чтобы при номинальном токе якоря ( токе нагрузки) I _ном напряжение также было номинальным U_ном. Внешняя характеристика значительно зависит от величины нагрузки и ее характера. При активной и активно-индук­тивной нагрузке с ростом тока нагрузки I_я напряжение U существенно снижается. В этих случаях U поддерживают

Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения Iв при изменении тока нагрузки I, чтобы напряжение U оставалось постоянным: Iв = f(I) при U = const, φ = const, f = const.

Так как при активно-индуктивной нагрузке с уменьшением тока от I_ном до 0 напряжение увеличивается, то для поддержания его постоянным надо уменьшить результирующий магнитный поток путем уменьшения тока возбуждения. При активно-ёмкостной нагрузке – наоборот.

ЛЕКЦИЯ 25

Параллельная работа синхронной машины с сетью.

Синхронные генераторы современных электростанций работают параллельно друг с другом, представляя собой как бы единый источник большой мощности. Электростанции также соединяются для параллельной работы с помощью линий электропередачи. Таким образом, ряд электростанций образуют мощную энергосистему, по сравнению с которой мощность одного генератора или двигателя очень мала. Такую энергосистему считают источником бесконечной мощности. Напряжение сети энергосистемы U_с и его частота f_с

считается неизменными.

На рисунке приведена схема включения синхронной машины для параллельной работы с сетью. Ротор машины приводят во вращение и созданный обмоткой возбуждения основной магнитный поток Ф₀ индуцирует в обмотке машины ЭДС Е₀, частота которой f.

Так как машина работает на холостом ходу, напряжение U; ( = E; (_0. Включать машину с помощью выключателя В следует в тот момент, когда мгновенное значение напряжение сети и напряжение обмотки статора равны. Тогда ток в обмотке статора синхронной машины после включения будет оставаться равным нулю. Такое условие включения u_c = U_cmsin(ωt + Ψ_uc) ; u_г = U_гmsin(ωt + Ψ_uг) выполняется, если:

1) Значения напряжения синхронного генератора U; (г и сети U; (с равны; 2)Начальные фазы напряжения сети и генератора равны;

3) частота напряжения синхронного генератора равна частоте напряжения сети;

4) чередование фаз синхронного генератора и сети равны.

Если при включении выключателя значения напряжений U; (г и сети U; (с не равны при выполнении всех других условий, то Δ U; ( = U; (г – U; (с не равно 0.

Под действием Δ U; ( в цепи протекает уравнительный ток I_у, отстающий по фазе от Δ U; ( почти на 90°, так как сопротивление контура «сеть – синхронный генератор» практически равно индуктивному сопротивлению Х_с генератора.

По отношению к сети и синхронному генератору ток I_у является реактивным, поэтому никаких механических толчков или ударов он создать не может.

Если при включении синхронного генератора напряжения U; (г и сети U; (с не совпадают по фазе, но значения их равны, то возникающий ток I_у является практически чисто активным током. Поэтому он создает механический момент , являющийся для ротора СГ тормозным. В результате приложения к ротору механического момента произойдет толчок или удар, который может привести к разрушению ротора. Этот механический момент затормозит ротор. Через некоторое время установится режим при ΔU = 0 и

I_у = 0.

При неравенстве частот сети fc и генератора fг частоты вращения полей будут также не равны (ω_с и ω_г). Поэтому значения ΔU изменяются во времени от 0 (когда U_с и U_Г совпадают по фазе) до 2U_с (когда U_с и U_Г противоположны по фазе). В этом случае значение тока I_у изменится от 0 до значения, превышающего в десятки раз номинальное значение тока. Это создает аварийный режим.

При неодинаковом чередовании фаз сети и генератора при подключении СГ к сети в отдельных фазах возникают ΔU, равные линейному напряжению (см. рис). Возникающий в этих фазах ток I_у в несколько раз превышает номинальное значение.

Для проверки выполнения условий включения генератора применяют приборы – синхроноскопы. Простейший ламповый состоит из трех ламп, включенных как показано на рис. Равенство U_с и U_Г контролируется вольтметром. Если U_с и U_Г не равны, то изменяют ток возбуждения СГ. Каждая лампа синхроноскопа включена так, что к ней приложено напряжение U_Г - U_с. Если выполнены все условия параллельной работы, то все Δ U; ( = 0 и лампы не горят. В этот момент можно включать выключатель. На электростанциях для синхронизации мощных генераторов используют стрелочные синхроноскопы.