Характеристики синхронного генератора

Рабочие свойства синхронного генератора оцениваются его характеристиками, важнейшими из которых являются характеристики: холостого хода, трехфазного короткого за­мыкания, индукционная нагрузочная, внешние и регулиро­вочные.

Характеристика холостого хода Е= f(I_B) рассмотрена в предыдущей лекции.

Характеристика трехфазного короткого замыкания представляет собой зависимость тока якоря при коротком замыкании от тока возбуждения I_K= f(I_B) при n=const. На рис. 11 представ­лены характеристика короткого замыкания 1 и характеристика холостого хода 2.

Рис. 11. Характеристика трехфазного короткого замыкания.

Из-за относительной малости активного сопротивления г_а обмотка якоря синхронной машины представляет собой практически чисто индуктивное сопротивление. Поэтому ток короткого замыкания отстает от ЭДС на 90° и создает в машине продольную размагничивающую реакцию якоря. Вследствие этого установившийся ток короткого замыкания в синхронном генераторе получается относительно неболь­шим. Так, при ток I_K обычно имеет значение, близ­кое к номинальному. Из-за размагничивающего действия реакции якоря при коротком замыкании машина слабо на­сыщена, и поэтому характеристика I_K= f(I_B) представляет собой линейную зависимость.

Практическое значение этой характеристики состоит в том, что при совместном ее рассмотрении с характери­стикой холостого хода по ним можно определить ненасы­щенное значение x _d, МДС реакции якоря и отношение ко­роткого замыкания.

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси x_d можно найти, если принять, что при коротком замыкании U =0, r _a=0, I _q=0, I _K= I _d, тогда

Построена векторная диаграмма синхронно­го генератора при трехфазном коротком замыкании. Исходя из (6), получаем

Если для произвольного тока I _В(1) по характеристике ко­роткого замыкания определить ток I _K(1), а по спрямленной характеристике холостого хода — ЭДС Е ₀ (см. рис. 11), то по (7) определим ненасыщенное значение x d.

Рис. 12. Векторная диаграмма син­хронного генератора при коротком за­мыкании.

Рис. 13. Определение ОКЗ.

Реакцию якоря при токе I _K= I _HOM можно определить по характеристическому треугольнику (см. рис. 11). Здесь катет ВС представляет собой падение напряжения в индуктивном сопротивлении рассеяния I _HOMx_σ, а катет АВ равен МДС реакции якоря при токе I _K= I _HOM. Для явнополюсной машины эта МДС равна F_ad, а для неявнополюсной F_a. Для токов, отличных от номинального, МДС пере­считывается пропорционально току. Полученные таким путем МДС используются для построения векторных диа­грамм.

Отношением короткого замыкания (ОКЗ) называется отношение тока короткого замыкания I _K (рис. 13), воз­никающего при МДС возбуждения, соответствующей номинальному напряжению в режиме холостого хода, к номинальному току якоря:

ОКЗ характеризует влияние реакции якоря на работу машины.

Синхронные машины с малым ОКЗ дают большее из­менение напряжения при нагрузке, являются менее устойчивыми при параллельной работе, но зато такой генератор является более дешевым.

Значение ОКЗ обратно пропорционально x_d. У гидро­генераторов , а у турбогенераторов .

Индукционная нагрузочная характеристика представля­ет собой зависимость U=f(I_B) при I =const, n=const, cosφ =0. Она показывает, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока возбуждения I _B при по­стоянном индуктивном токе нагрузки. Обычно индукцион­ная нагрузочная характеристика снимается при I = I _НОM. В качестве нагрузки используется катушка с переменной индуктивностью. Так как катушка обладает определенным; активным сопротивлением, то получить в этом случае cosφ =0 нельзя. Но опыт показывает, что при снятии рас­сматриваемой характеристики достаточно установить cosφ <0,2.

На рис. 14 представлена индукционная нагрузочная характеристика (1).

Рис. 14. Индукционная нагрузочная характеристика.

Точка А, соответствующая короткому замыканию, может быть получена из характеристики ко­роткого замыкания по току I, при котором снималась на­грузочная характеристика. На рис. 14 изображена так­же характеристика холостого хода (2). Так как ток I при r_a=0 является практически реактивным, то I = I _d и ре­акция якоря в этом случае будет продольной размагничи­вающей. Вследствие этого, а также из-за падения напряжения в цепи якоря нагрузочная характеристика будет проходить ниже характеристики хо­лостого хода.

Рис. 15. Векторная диаграмма синхронного генератора при cosφ =0.

На рис. 15 дана векторная диаграмма для явнополюсного генератора при cosφ =0.

Нагрузочная характеристика при I = const может быть построена по треугольнику ВСА (рис. 14), по­лученному при токе I _K= I. Если тре­угольник ВСА передвигать парал­лельно самому себе так, чтобы вер­шина С скользила по характеристи­ке холостого хода, то точка А опи­шет нагрузочную характеристику (кривая ). В верхней части харак­теристики этот треугольник займет положение B'С'А'. Опытная индук­ционная нагрузочная характеристика в действительности не вполне со­впадает с характеристикой, постро­енной по характеристическому треугольнику, а отклоняется от нее вправо (кривая 1 на рис. 14). Расхождение в опытных и расчетных характеристи­ках происходит из-за неточного учета потока рассеяния обмотки возбуждения при нагрузке, что вызывает повы­шенное насыщение магнитной системы ротора.

По опытным характеристикам холостого хода и нагру­зочной с некоторым приближением можно определить сто­роны характеристического треугольника. При U=U_HOM проводится прямая, параллельная оси абсцисс. Из точки А" на этой прямой откладывают отрезок А"О" = АО. Из точки О" проводится прямая, параллельная прямолиней­ной части характеристики холостого хода, до пересечения с характеристикой холостого хода в точке С". Опустив из точки С" перпендикуляр на линию О"А", получим иско­мый треугольник В"С"А". Определив отрезок В"С" в масштабе напряжения, найдем

Полученное таким образом сопротивление х _р будет не­сколько больше индуктивного сопротивления рассеяния х_σ:

где меньшие значения коэффициента относятся к неявнополюсным генераторам.

Расхождение между этими сопротивлениями объясня­ется несовпадением опытной и расчетной нагрузочных ха­рактеристик. Сопротивление х_р называют сопротивлением Потье. Отрезок DD' на рис. 14 соответствует уменьше­нию напряжения из-за размагничивающего действия ре­акции якоря, а отрезок D'A" - из-за падения напряжения в сопротивлении х_σ.

Внешние характеристики являются основными эксплуа­тационными характеристиками генератора. Они показыва­ют, как изменяется напряжение на выводах генератора U при изменении тока нагрузки I, если I _B= const, cosφ=const. На характер внешних характеристик сильное влияние оказывает cosφ. На рис. 16 показаны внешние характеристики при. трех значениях cosφ. Для всех харак­теристик исходной точкой являлась точка, соответствую­щая номинальному напряжению при номинальном токе якоря. Токи возбуждения, полученные при установке исходной точки, в дальнейшем поддерживаются неизменны­ми. Изменение тока I производится нагрузочным резисто­ром, включенным в цепь якоря.

При активно-индуктивной нагрузке (φ >0) с уменьше­нием тока I напряжение на выводах машины возрастает, так как уменьшаются влияния размагничивающего дейст­вия продольной реакции якоря и падения напряжения . Чем ниже cosφ, тем сильнее влияние продоль­ной реакции якоря, вследствие чего напряжение при уменьшении тока I будет увеличиваться резче.

Рис. 16. Внешние характерис­тики.

Рис. 17. Векторная диаграмма синхронного генератора при cosφ =1.

При cosφ =1 (рис. 17) в машине также будет иметь место продольная размагничивающая реакция якоря (F _ad≠0), вследствие ослабления действия которой при уменьшении тока I напряжение U будет увеличиваться, но в меньшей мере, чем при cosφ <1.

Если нагрузка активно-емкостная (φ <0), то продольная реакция якоря имеет намагничивающий характер и напря­жение уменьшается при снижении тока I.

По внешним характеристикам определяют процентное изменение напряжения:

где Е₀ - ЭДС холостого хода (I =0).

Как видно из рис. 16, при cosφ =1 и cosφ <1 (φ >0) , а при cosφ ≠1 (φ <0) .

Регулировочные характеристики представляют зависи­мость I_B=f(I) при U=const, cosφ =const. Регулировоч­ные характеристики показывают, как нужно изменять ток возбуждения I _B для того, чтобы поддерживать неизменным напряжение на выводах генератора при изменении тока нагрузки I. Предполагается, что характер нагрузки и часто­та вращения при этом остаются постоянными.

На рис. 18 показаны регулировочные характеристики для трех значений cosφ. При активно-индуктивной (φ >0) и активной (φ =0) нагрузках в машине существует про­дольная размагничивающая реакция якоря, которая при увеличении тока якоря возрастает. Чтобы сохранить по­стоянным напряжение, необходимо при росте нагрузки компенсировать размагничивающее действие продоль­ной реакции якоря за счет увеличения тока возбуждения. Регулировочные характеристики для cosφ <1 (φ >0) и cosφ =1 имеют возрастающий характер. При активно-емкостной нагрузке (φ <0) продольная реакция якоря на­магничивающая и для сохранения потока и ЭДС на нуж­ном уровне ток возбуждения приходится уменьшать. Регу­лировочная характеристика для данного случая будет иметь падающий характер.

Рис. 18. Регулировочные характеристики.

Рис. 19. Энергетическая ди­аграмма синхронного генера­тора.