Работа синхронной машины в режиме генератора

Для получения данного режима работы необходимо ротор машины привести во вращение при помощи внешнего источника механической мощности. Вращающийся магнитный поток ротора, полученный магнитоэлектрическим или электромагнитным способом, будет пересекать проводники обмотки статора и индуктировать в них переменную электродвижущую силу (ЭДС).

Если генератор работает без нагрузки (в режиме холостого хода), то ток в обмотке статора отсутствует и в магнитной системе действует лишь поток возбуждения. Он направлен по оси полюсов ротора и вращается вместе с ним с частотой .

При подключении обмотки статора к потребителю (например, осветительной сети) в цепи статора будет протекать ток, который создаст свое магнитное поле. В случае трехфазного синхронного генератора магнитный поток статора будет вращаться относительно статора с частотой . Другими словами, вращающийся магнитный поток статора является неподвижным относительно ротора, вращающегося с той же частотой. Очевидно, что он определенным образом будет оказывать влияние на магнитный поток возбуждения. Воздействие магнитного поля статора на магнитное поле возбуждения называется реакцией статора. Наиболее просто действие реакции статора можно показать c помощью векторных диаграмм (рис. 2).

На основании векторных диаграмм приходим к выводу:

– Когда вектор тока совпадает с вектором ЭДС (),
магнитный поток, создаваемый обмоткой статора, перпендикулярен магнитному потоку возбуждения. Такая реакция статора называется поперечной. В ненасыщенной магнитной системе это приводит лишь к искажению магнитного потока (поля) возбуждения (рис. 2, а).

– При индуктивной и емкостной нагрузках (  или  соответственно) поток статора направлен по оси полюсов и в первом случае вычитается из потока возбуждения (реакция статора продольно размагничивающая), тогда как во втором случае потоки имеют одинаковое направление (складываются), а реакция статора называется продольно намагничивающей (рис. 2, б, в).

– При смешанной нагрузке (например, активно-индуктивной) реакция статора может быть представлена в виде двух составляющих: поперечной  и продольной  (рис. 2, г).

Следовательно, действие реакции статора в синхронном генераторе зависит не только от величины нагрузки (силы тока), но и от ее характера (коэффициента мощности – ).

Реакция статора оказывает существенное влияние на вид внешней характеристики синхронного генератора. Внешняя характеристика – зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки, при условии постоянства тока возбуждения и коэффициента мощности потребителя:

 при , .

На рис. 3 представлены типовые внешние характеристики синхронного генератора при различных характерах нагрузки.

Как видно из графика, в случае активно-емкостной нагрузки напряжение на зажимах генератора увеличивается. Подобный эффект имеет место при работе синхронного генератора на длинную линию электропередач, провода которой и земля образуют две обкладки эквивалентного конденсатора и, наряду с активными и индуктивными сопротивлениями, обладают еще и емкостным.

 

1,0

Рис. 3. Внешние характеристики синхронного генератора

 

Указания по подготовке к лабораторной работе

Для подготовки к лабораторной работе необходимо:

Изучить материал по одному из учебников:

9) [1, §8.1…8.5];

10) [3, 9-9, 11-5, 11-6];

11) [5, 57-1, 57-2, 57-3, 57-5].

 

Ответить на вопросы и выполнить задания:

1. Почему при снятии характеристик синхронного генератора необходимо поддерживать постоянной частоту вращения?

2. Синхронный генератор работает на активно-индуктивную нагрузку. Как нужно регулировать ток возбуждения при увеличении нагрузки, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным?

3. При сбросе активно-индуктивной нагрузки напряжение генератора повышается на . Как зависит величина  от коэффициента мощности нагрузки?

4. Имеются два одинаковых генератора. Первый генератор работает на активно-индуктивную нагрузку с , а второй – на активную нагрузку. Напряжения и токи нагрузки у них равны. Сравните их токи возбуждения.

5. Объясните конструкцию исследуемой синхронной машины.

6. По какой характеристике определяют процентное изменение напряжения генератора?

7. Каков порядок построения векторной диаграммы Потье?

8. Чем обусловлено различие между двумя реактивностями:  – Потье и рассеяния обмотки статора ?

9. Имеются два одинаковых генератора. Первый работает на активно-емкостную нагрузку с , а второй – на активную нагрузку. Напряжения и токи статора у них одинаковы. Сравните их токи возбуждения.

10. Номинальные данные СГ: В, А, Ом. Используя упрощенную векторную диаграмму в масштабе 50 В/см, построить внешнюю характеристику при емкостной нагрузке.

11. Как построить векторную диаграмму ЭДС (Блонделя) для номинального режима работы СГ? Определить ток возбуждения и повышение напряжения при сбросе нагрузки (номинальной).

12. Как построить диаграмму ЭМДС (Потье) СГ при номинальном напряжении и неизменном значении активной мощности для  и определить по ней процентное повышение напряжения при сбросе нагрузки?

13. Какая характеристика СГ называется «индукционной нагрузочной»? Как ее снять на исследуемой машине? Как определить точку пересечения этой характеристики с осью абсцисс?

 

Последовательность работы

1. Ознакомиться с учебной установкой. Записать в протокол испытаний номинальные данные испытуемой машины.

2. Собрать схему установки в соответствии с рис. 6.

3. Снять и построить х.х.х. .

4. Снять и построить характеристику трехфазного короткого замыкания .

5. Снять и построить нагрузочные характеристики , при ; ; ; .

6. Снять и построить четыре внешние характеристики  при ; ; .

7. Снять и построить регулировочные характеристики  при ; при  и ; .

8. Определить индуктивное сопротивление Потье ,
синхронное индуктивное сопротивление в насыщенном и ненасыщенном состоянии ; , отношение короткого замыкания .

9. Построить диаграммы ЭМДС при  и  (инд.). Определить повышения напряжения и сравнить эти результаты с опытными, полученными из внешних характеристик.

 

Экспериментальная установка

Исследование трехфазного синхронного генератора производится на универсальном лабораторном стенде (УЛС) (рис. 4), состоящем из силового оборудования и пульта управления. Силовое оборудование: синхронный генератор (СГ) и сочлененный с ним двигатель постоянного тока (ДПТ) смешанного или параллельного возбуждения – размещено на отдельно стоящем фундаменте.

Для проведения испытаний используются три вида напряжений: переменное 220 В частотой 50 Гц, постоянное 220 В и выпрямленное 22 В. Для удобства сборки схемы и безопасности проведения эксперимента пункты подключения снабжены сигнальными лампочками HL1, HL2, HL3, расположенными на наборном поле над автоматами QF1, SA1.

Там же находятся клеммы контрольно-измерительных приборов.

Обмотки якоря синхронного генератора С1, С2, С3, С4, С5, С6, индуктора И1, И2 и возбудителя Я1, Я2, Ш1, Ш2 выведены на наборное поле.

Схема приводного ДТП собрана стационарно, и на УЛС выведены автомат питания QF1, ручки управления пусковым реостатом и реостатом цепи возбуждения ДТП , закрепленные на правой стороне пульта управления. Регулируемые индуктивные  и активное  сопротивления нагрузки присоединяются к СГ через выключатели SA1 и SA2.

Для измерения мощности по ходу экспериментов используются комплекты К505 или К50.

Полное снятие напряжения со стенда обеспечивается выключением автомата АП-50, расположенного напротив стенда на стене.

 

Проведение исследований

Измерение сопротивления обмотки якоря
 синхронного генератора

Для определения сопротивления обмотки статора СМ опытным путем обычно применяется метод амперметра и вольтметра при обтекании обмоток постоянным током. Схема проведения опыта приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема для определения сопротивления обмотки статора

При проведении опыта по схеме 5 используются приборы магнитоэлектрической системы класса не ниже 0,2.

В процессе опыта по данной схеме перед включением выключателя S необходимо установить сопротивление регулировочного реостата  на максимальное значение, затем, снижая ток, произвести два – три измерения.

Для каждого измерения рассчитать сопротивление фазы обмотки статора по закону Ома:

.

Среднее их значение по результатам всех измерений привести к температуре :

,

где  1/град; – температура окружающего воздуха.