На рис. 1.26 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а), активно-индуктивной (б) и активно-емкостной (в) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках Е0 > U; при активно-емкостной нагрузке Е0 < U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем – увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а в двух других случаях–продольная размагничивающая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0).
Рис. 1.27 – Внешние характеристики синхронного генератора при различном характере нагрузки
На рис. 1.27 изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении Uном (а) и при одинаковом значении Uo = Eo (б). Во втором случае при U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока короткого замыкания Iк.
Изменение напряжения. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной
(1.24)
Обычно генераторы работают с cosφ = 0,9 ÷ 0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu% = 25 ÷ 35%. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, требуется применять специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Δи%, тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δи%. Однако небольшую величину Δи% можно получить, уменьшая синхронное индуктивное сопротивление хсн (в неявнополюсных машинах) или соответственно хd и xq (в явнополюсных машинах), т.е. поток якоря, для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. При таком способе уменьшения Δи% необходимо увеличивать м.д. с. обмотки возбуждения, что заставляет увеличивать размеры этой обмотки и делать в конечном итоге синхронную машину более дорогой.
В мощных турбогенераторах мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δи%.
В гидрогенераторах (по сравнению с турбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т.е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δи%.
Рис. 1.28 – Регулировочные характеристики синхронного генератора при различном характере нагрузки
Регулировочные характеристики синхронного генератора. Эти характеристики (рис. 1.28) представляют собой зависимости тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iа при неизменных напряжении U, угле φ и частоте f1. Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что при возрастании нагрузки необходимо при φ > 0 увеличивать ток возбуждения, а при φ < 0-уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.
Опыты холостого хода и короткого замыкания. Синхронные индуктивные сопротивления машины могут быть найдены по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.
При опыте холостого хода определяют характеристику холостого хода E0 = f(Iв) при номинальной частоте вращения машины, изменяя ток возбуждения Iв.
При опыте короткого замыкания фазы обмотки якоря замыкают накоротко через амперметры, после этого ротор приводят во вращение с номинальной частотой и снимают характеристику короткого замыкания, т.е. зависимость тока якоря от тока возбуждения Iа = f(Iв). Эта характеристика (рис. 1.29, а) имеет линейный характер, так как при rа ≈ 0 сопротивление цепи якоря является чисто индуктивным и ток короткого замыкания Iк = Id (рис. 1.29, б) создает поток реакции якоря, размагничивающий машину. В результате магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной, т.е. э. д. с. Е0 и ток Iк будут изменяться пропорционально току возбуждения Iв.
При работе машины в рассматриваемом режиме напряжение U = 0, поэтому уравнения (1.23б) и (1.19в) принимают вид:
для явнополюсной машины
; (1.25а)
для неявнополюсной машины
. (1.25б)
Рис. 1.29 – Характеристики холостого хода и короткого замыкания (а) и векторная диаграмма явнополюсной машины при коротком замыкании (б)
Определение индуктивных сопротивлений xd и xq. Из формулы (1.25а) можно определить синхронное индуктивное сопротивление машины по продольной оси
, (1.26a)
где э. д. с. Е0 и ток Iк должны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения (рис. 1.29, а). Для прямолинейного участка характеристики холостого хода безразлично, при каком токе возбуждения определяется xd, так как во всех случаях xd = const. Такое же значение сопротивления xd будет при любом значении тока возбуждения, если величину Е0 находить по спрямленной характеристике холостого хода. Полученное таким путем значение xd будет соответствовать ненасыщенной машине. Для насыщенной машины значение xd уменьшается и его можно было бы определить по формуле (1.26а), подставляя в нее действительное значение э.д. с, полученное по характеристике холостого хода. Однако значение xdнас с учетом насыщения будет справедливо только для одной точки характеристики, соответствующей определенной величине потока по продольной оси. Изменение тока возбуждения ведет к изменению хdнас, при этом приходится оперировать с переменной величиной, что крайне неудобно. Поэтому практически употребляется только ненасыщенное значение xd, а учет насыщения, если это требуется, производится непосредственным определением соответствующих э. д. с. по характеристике холостого хода (как это было показано при построении диаграммы Потье).
Если известны коэффициенты приведения kd и kq, то по полученному значению xd можно определить синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси:
. (1.26б)
В неявнополюсных машинах xd = xq = xсн, т.е. хсн = Е0/Iк. Если выразить синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах, то
; . (1.27)
где Iа ном и Uном–фазные значения номинальных величин тока и напряжения.
Сопротивления в относительных единицах наглядно выражают параметры машины, показывая относительную (по отношению к номинальному напряжению) величину падения напряжения при номинальном токе. Относительные величины позволяют, кроме того, сравнивать между собой свойства генераторов различной мощности.
Отношение короткого замыкания. Иногда в паспорте машины указывается величина, обратная x d*, называемая отношением короткого замыкания:
. (1.28)
Это отношение характеризует величину установившегося тока короткого замыкания Iк ном, который имеет место при токе возбуждения генератора, соответствующем номинальному напряжению
.
В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности x d* = 0,6 ÷ 1,6, a xq* = 0,4 ÷ 1. Сопротивление x d* определяется в основном реакцией якоря, так как относительная величина индуктивного сопротивления, обусловленного потоком рассеяния, мала (xsa* = 0, l ÷ 0,2). В неявнополюсных машинах средней и большой мощности обычно сопротивление хсн* = 0,9 ÷ 2,4. При указанных значениях x d* и хq*, для гидрогенераторов kо.к.з = 0,8 ÷ 1,8, а для турбогенераторов kо.к.з = 0,5 ÷ 1,0. Следовательно, установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик (в некоторых машинах он меньше номинального), так как при этом режиме угол ψк ≈ 0 и поле якоря сильно размагничивает машину. Очевидно, что результирующий магнитный поток Фрез.к << Фв и э.д.с. Ек << Е0.
Коэффициент kо.к.з имеет большое значение для эксплуатации не только потому, что показывает кратность тока короткого замыкания, но также и потому, что определяет предельную величину мощности, которой можно нагрузить синхронный генератор. В этом отношении выгоднее иметь машины с большим kо.к.з, однако это требует выполнения ее с большим воздушным зазором, что существенно удорожает машину.
Определение индуктивного сопротивления хsa. Для определения xsa снимают индукционную нагрузочную характеристику генератора, т.е. зависимость его напряжения U от тока возбуждения Iв при неизменных токе нагрузки Iа = Iном, частоте f1 и cosφ = 0 (чисто индуктивная нагрузка). Нагрузочная характеристика 2 (рис. 1.30, а) проходит ниже характеристики холостого хода 1, которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iа = 0.
Рис. 1.30 – Индукционная нагрузочная характеристика синхронного генератора (а) и его векторная диаграмма при индуктивной нагрузке (б)
Так как при снятии индукционной нагрузочной характеристики в машине имеется только продольная составляющая м. д. с. Fаd реакции якоря, то, как следует из векторной диаграммы (рис. 1–30, б), результирующая м. д. с. и напряжение машины Ù = Ė0–jİaxad–jJaxsa = Ė–jİaxsa. Точка А кривой 2 соответствует режиму короткого замыкания, т.е. значению U = 0 при Iк = Iном. Треугольник ABC называют реактивным или характеристическим треугольником; его горизонтальный катет СА соответствует току возбуждения Iв.к, компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря Fad ном, а вертикальный катет ВС-э. д. с, необходимой для компенсации падения напряжения Ia номxsa при номинальном токе якоря. Для любой другой точки нагрузочной характеристики при φ = 90° составляющая тока возбуждения, компенсирующая размагничивающее действие реакции якоря, останется неизменной, так как величина тока якоря постоянна. Неизменным останется и падение напряжения Ia номxsa. Следовательно, нагрузочную характеристику можно получить как след вершины А реактивного треугольника при перемещении его так, чтобы вершина В скользила по характеристике холостого хода, а стороны треугольника оставались бы параллельными соответствующим сторонам первоначально построенного треугольника. В этом легко убедиться, рассматривая точку А' и треугольник А'В'С' (рис. 1.30) при номинальном напряжении Uном. В этом режиме э.д.с.
,
т.е. равна ординате точки В'; отрезок соответствует току Iв.к, компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря. Отрезок соответствует составляющей тока возбуждения, необходимой для индуктирования э. д. с. Esa = Ia номxsa.
Из рассмотренного вытекает следующий способ определения индуктивного сопротивления xsa. На кривой 2 находят точку А', соответствующую номинальному напряжению Uном, и откладывают влево от этой точки отрезок (его определяют по характеристике короткого замыкания 3 для тока Iк = Iном). Затем через точку О' проводят прямую, параллельную начальной части характеристики 1, до пересечения с этой характеристикой в точке В'. Опустив из точки В' перпендикуляр на линию О'А', получают отрезок = Ia номxsa. Следовательно,
Сопротивление, найденное описанным способом, несколько превышает действительное сопротивление, обусловленное потоками рассеяния:
и получило название сопротивления Потье. Сопротивление хр ≈ (1,05 ÷ 1,3) хsa. Последнее объясняется тем, что в точках В' и А' токи возбуждения различны, и, хотя э. д. с. и потоки в воздушном зазоре одинаковы, при большем токе возбуждения имеет место увеличение магнитного сопротивления из-за больших потоков рассеяния обмотки возбуждения, насыщающих полюсы и ярмо индуктора, т.е. реально .
Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно электростанции имеют несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую сеть. Это увеличивает общую мощность электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой мощность рассматриваемого генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т.е. что напряжение сети Uс и ее частота f с являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.
Рассмотрим условия включения генератора на параллельную работу с сетью и способы регулирования нагрузки.
Включение генератора на параллельную работу с сетью. При этом необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя.
Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети uс и генератора и:
. (1.29)
На практике осуществление (1.29) сводится к выполнению трех равенств:
величин напряжений сети и генератора Ucm = Um или Uс = U;
частот ωс = ωг или fс = fг;
их начальных фаз αс = αг (совпадение по фазе векторов Ùc и Ù).
Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.
Совокупность операций, требуемых для подключения генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот fс ≈ fг, а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений Uс = U. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (αс = αг) контролируется специальными приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами.
Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности и обычно используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампочки, включенные между фазами генератора и сети (рис. 1.31, а). На каждую лампу действует напряжение Δu = uс–и, которое при fc ≠ fг изменяется с частотой Δf = fс–fг, называемой частотой биений (рис. 1.31, б). В этом случае лампы будут мигать. При fс ≈ fг разность Δи будет изменяться медленно, вследствие чего лампы будут постепенно загораться и погасать. Обычно генератор подключают к сети в момент, когда разность напряжений Δи на короткое время становится близкой нулю, т.е. в середине периода погасания ламп; в этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ùс и Ù. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты вращения ротора, т.е. поддержание условия n2 = n1, происходит автоматически.
Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этом приборе при fc ≠ fг стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот fc – fг в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При fc = fг она устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.
Часто также применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключается к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При самосинхронизации ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение s до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуктированием тока в успокоительной обмотке и замкнутой обмотке возбуждения. После этого в обмотку возбуждения подается постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой толчок тока, который не должен превышать 3,5Iа ном.
Рис. 1.31 – Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений ис и и перед включением (б) генератора
Регулирование активной мощности. После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети Uc. По отношению к внешней нагрузке напряжения U и Uс совпадают по фазе, а по контуру «генератор – сеть» находятся в противо-фазе, т.е. Ù = – Ùc (рис. 1.32, а). Так как перед включением в сеть генератор работал вхолостую, то при выполнении указанных ранее трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток Iа после подключения к сети также будет равен нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток Iа при работе генератора параллельно с сетью на примере неявно-полюсной машины.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20
