Электрические машины конспект лекций

äà E 0 f I â при номинальной частоте вращения машины, из-

меняя ток возбуждения Iâ.

При опыте короткого замыкания фазы обмотки якоря замыкают накоротко через амперметры, после чего ротор приводят во вращение с номинальной частотой и снимают характеристику короткого замыкания, т. е. зависимость тока якоря от тока возбуждения I a f I â . Эта характеристика (рис. 14.4) имеет линей-

ный характер, так как при условии Ra 0 сопротивление цепи якоря является чисто индуктивным, и ток короткого замыкания I ê I d (рис. 14.5) создает поток реакции якоря, размагничивающий машину. В результате магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной, т. е. ЭДС E0 è òîê Iê изменяются пропорционально току возбуждения Iâ.

При работе в рассматриваемом режиме напряжение U 0, поэтому уравнения (14.8, á) и (14.5) для явнополюсной и неявнополюсной машин принимают соответственно вид:

171

Из формулы (14.10, à) можно определить синхронное ин-

дуктивное сопротивление машины по продольной оси X d E 0 ,

I ê

ãäå ÝÄÑ E0 è òîê Iê должны быть взяты при одном и том же зна- чении тока возбуждения (см. рис. 14.4). Для прямолинейного участка характеристики холостого хода безразлично, при каком токе возбуждения определяется Xd, так как во всех случаях X d const. Это же значение сопротивления Xd получим при определении E0 по спрямленной характеристике холостого хода Оà, соответствующей ненасыщенной машине.

При учете насыщения сопротивление Xd уменьшается. Однако его величина будет различной для разных точек реальной характеристики холостого хода. Поэтому практически употребляется значение Xd для ненасыщенной машины, а учет насыщения, если это требуется, производится путем непосредственного определения соответствующих ЭДС по характеристике холостого хода (как это было показало в подразд. 11.1). Если известны коэффициенты приведения kd è kq, то по полученному значе- нию Xd можно определить синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси

В неявнополюcных машинах X d X q X ñí , ò. å. X ñí E 0 . I ê

Если выразить синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах, то получим

ãäå Ià.íîì è Uíîì — номинальные величины фазных тока и напряжения.

В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности X d * 0,6–1,6, à X q* 0,4–1. Сопротивление Xd* определяется в основном реакцией якоря, так как относительная величина индуктивного сопротивления, обуслов-

172

ленного потоком рассеяния, мала (X a* 0,1–0,2). В неявнополюсных машинах средней и большой мощности обычно сопротивление X ñí * 0,9–2,4.

Сопротивления, выраженные в относительных единицах, характеризуют параметры машины, показывая относительную (по отношению к номинальному напряжению) величину падения напряжения при номинальном токе. Кроме того, величины позволяют сравнивать свойства генераторов различной мощности.

Отношение короткого замыкания. Иногда в паспорте машины указывают величину, обратную Xd*, называемую отноше-

Это отношение характеризует величину установившегося тока короткого замыкания I ê.íîì ÎÊÇ I íîì , который имеет место при номинальном токе возбуждения генератора (соответствующем номинальному напряжению).

При указанных выше значениях Xd* è Xq* для неявнополюсных машин ОКЗ 0,5–1,0, а для явнополюсных 0,8–1,8. Следовательно, установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик (в некоторых машинах он

меньше номинального), так как при этом режиме угол ê , 2

и поле якоря сильно размагничивает машину. Очевидно, что при коротком замыкании результирующий магнитный поток

ðåç.ê â è ÝÄÑ E E 0 .

Величина ОКЗ имеет большое значение для эксплуатации она показывает кратность тока короткого замыкания и определяет величину мощности, которой можно нагрузить синхронный генератор. Следовательно, выгоднее иметь машину с большим ОКЗ, однако это требует выполнения ее с увеличенным воздушным зазором, что существенно удорожает машину.

ВОПРОСЫ

14.3.1. Почему характеристика короткого замыкания синхронной машины имеет вид прямой?

173

14.3.2.Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генератора?

14.3.3.Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?

14.3.4.Какие виды потерь имеют место в синхронной ма-

øèíå?

14.4. Внешние и регулировочные характеристики генератора

Внешние характеристики. Зависимости напряжения U от тока нагрузки Ià при неизменных токе возбуждения Iâ, угле и частоте f1 (постоянной частоте вращения ротора n) называют внешними характеристиками генератора.

Они могут быть построены при помощи векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке Ià.íîì генератор имеет номинальное напряжение Uíîì, что достигается соответствующим выбором тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора становится равным ЭДС холостого хода E0. Следовательно, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т. е. от угла сдвига фаз между

U è I a , так как в зависимости от этого изменяется величина век-

òîðà E 0 (при заданном значении U U íîì ).

На рис. 14.6 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявновыраженными полюсами: для активной (см. рис. 14.6, à), активно-индуктивной (см. рис. 14.6, á) и актив- но-емкостной (см. рис. 14.6, â) нагрузок. При активной и актив- но-индуктивной нагрузках ЭДС E 0 U; при активно-емкостной нагрузке ЭДС E 0 U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем — увеличивается. Это объясняется тем, что при актив- но-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляются реакции якоря, а при активной и активно-индук- тивной нагрузках — продольная размагничивающая составляющая (при чисто активной нагрузке 0).

174

Рис. 14.6. Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного генератора при различных видах нагрузки

Íà ðèñ. 14.7, à, á изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении Uíîì и одинаковом значе- нииU 0 E 0 . ÏðèU 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока короткого замыкания Iê.

При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется вели- чиной (%)

Обычно генераторы работают с cos 0,9–0,85 при отстающем токе. В этом случае U % 25–35 %. Чтобы подключенные

êгенератору потребители работали при напряжении, близком

êноминальному, применяют специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше U % , тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной U % . Однако для получения небольшого изменения U % необходимо

175

Рис. 14.7. Внешние характеристики синхронного генератора при различных видах нагрузки

снижать синхронное индуктивное сопротивление Xñí (в неявнополюсных машинах) или соответственно Xd è Xq (в явнополюсных машинах), для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. Это, в свою очередь, требует увели- чения МДС обмотки возбуждения, т. е. ее размеров, что в конеч- ном итоге делает синхронную машину более дорогой.

больше угол по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

176

Лекция 15

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ

15.1.Особенности работы генератора на сеть большой мощности

Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую электри- ческую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности 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 или на каком-либо объекте, подключенном к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой собственная мощность 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

наряжение сети Uc и ее частота fñ являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

15.2. Включение генератора на параллельную работу с сетью

В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя.

178

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети uñ и генератора uã:

U c max sin c t c U ã max sin ã ã .

На практике выполнение этого условия сводится к выполнению трех равенств: величин напряжений сети и генератора

Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f c f ã , а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения uc uã . Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора ( c ã ) контролируется специальными приборами — ламповым и стрелочными синхроноскопами. Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, поэтому обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети

f c f ã , называемой частотой биений (ðèñ. 15.1, á). В этом случае лампы будут мигать. При f c f ã разность u будет изменяться медленно, вследствие чего лампы будут постепенно загораться и погасать.

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений u на короткое время становится близкой нулю, т. е. в середине периода погасания ламп. В этом случае вы-

полняется условие совпадения по фазе векторовU c èU ã . Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n2 n1 , происходит автоматически.

179

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля.

Рис. 15.1. Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа и кривые изменения напряжений uc è uã перед включе- нием генератора

В этих приборах при f ñ f ã стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот fñ è fã, в одну или другую сторону — в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f ñ f ã стрелка 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.

Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2 %), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуктированием тока в успокоительной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока, который не должен превышать 3,5Ià.íîì.

180