Пояснения к лабораторной работе

Краткое описание лабораторной установки.

Схема установки представлена на рисунке 11.1. Все измерительные приборы, выключатели, реостаты и зажимы, показанные на рисунке 11.1, смонтированы на щите. Основная часть цепи собрана постоянно. Для подготовки синхронной машины к включению в сеть должны быть установлены перемычки а, b и с (рис. 11.1). Синхронная машина включается на параллельную работу выключателем QS2 "Параллельная работа", который, вместе с приборами синхронизации, изолируется от напряжения с обеих сторон выключателями QS1 "Сеть" и QS2 "Синхронная машина".

Возбуждение синхронной машины регулируется реостатом R_РГ "Возбуждение синхронной машины". Переключатель возбуждения QS4 в положении "1" вводит в цепь индуктора разрядное сопротивление R_Р, необходимое в режимах асинхронного пуска синхронного двигателя и включения синхронного генератора на параллельную работу методом самосинхронизации. В положении "2" обмотка возбуждения синхронной машины подключается к источнику питания.

Привод синхронной машины осуществляется двигателем постоянного тока с независимым возбуждением М (рис 11.1). Скорость приводного двигателя при автономной работе синхронного генератора или вращающий момент при работе синхронной машины параллельно с сетью регулируются, как реостатом R_РМ "Возбуждение привода", так и пусковым реостатом приводного двигателя R_ПМ, включенным в якорную цепь.

Ламповая нагрузка, подключенная параллельно якорю машины постоянного тока, в настоящей лабораторной работе не используется.

Пояснения к лабораторной работе.

При выполнении настоящей лабораторной работы следует хорошо понимать отличие между синхронным генератором, работающим

автономно и синхронным генератором, включенным в сеть, мощность которой значительно превосходит мощность самого генератора. Известно, что управление синхронной машиной возможно, во-первых, посредством изменения вращающего момента приводного двигателя, во-вторых, посредством изменения тока возбуждения. Чтобы разобраться в отличиях между автономно работающим генератором и генератором, включенным в сеть, целесообразно рассмотреть реакцию машины на одно и другое воздействие в режиме автономной работы и в режиме работы параллельно с сетью.

В том случае, если синхронный генератор работает автономно, увеличение вращающего момента (возникающее, например, при увеличении подачи топлива в тепловой двигатель или при увеличении напряжения на якоре двигателя постоянного тока) приведет, в соответствии с уравнением динамики

,

(11.1)

к возникновению положительного ускорения вращающихся масс, и ротор синхронного генератора станет вращаться с большей частотой (в уравнении 1.11 М - электромагнитный момент приводного двигателя, М_С – момент сопротивления вращению, J – момент инерции вращающихся масс, w - угловая частота). Увеличение частоты вращения приведет к увеличению действующего значения и частоты наводимой в статорной обмотке ЭДС. При этом, если генератор работал на холостом ходе, его режим работы не изменится, если увеличению момента предшествовала работа под нагрузкой (рис. 11.2.а), то изменятся угол нагрузки q, напряжение U, ток статорной обмотки I, коэффициент мощности cosj, активная Р и реактивная Q (при cosj¹1) мощности генератора. Характер и мера изменения будут зависеть от характера нагрузки и уровня насыщения магнитной системы. На рисунке 11.2.б) показано изменение взаимного расположения векторов диаграммы при увеличении частоты вращения ротора машины на 25%, исходном j=45⁰ и отсутствии насыщения магнитной системы. Анализируя рисунок 11.2, следует помнить, что векторные диаграммы а) и б) построены для разных частот синусоидальных величин, поэтому фазовый сдвиг между током и напряжением оказывается различным.

Изменение тока возбуждения автономно работающего генератора приведет к пропорциональному (у ненасыщенной машины) изменению потока и, как следствие, изменению всех электрических величин, векторы которых изображены на рисунке 11.2. Векторная диаграмма (рис. 11.2.в) соответствует увеличению тока возбуждения на 25%. Поскольку частота вырабатываемой ЭДС остается неизменной, характер нагрузки генератора и, как следствие, угол j на векторной диаграмме также не изменяются. Если допустить, что железо машины не насыщено, падение напряжения на индуктивном синхронном сопротивлении х_d изменится пропорционально изменению тока статора, в результате чего угол нагрузки q при увеличении тока возбуждения также останется неизменным (рис. 11.2.в).

Принципиальное отличие синхронной машины, включенной в сеть, от автономно работающей машины заключается в том, что действующее значение и частота напряжения сети, являющиеся при параллельной работе параметрами напряжения синхронной машины, неизменны, и воздействием на момент и возбуждение генератора изменены быть не могут.

Прежде чем приступить к анализу режимов работы включенной в сеть синхронной машины, следует рассмотреть взаимное расположение двух, пока не связанных, потоков: потока индуктора, создаваемого током обмотки возбуждения и потока якоря, создаваемого током якорной обмотки. На рисунке 11.3. изображена искусственная ситуация, когда индуктор и якорь разобщены, и взаимодействие потоков отсутствует.

Индуктор вращается приводным двигателем в направлении, указанном стрелкой, с угловой частотой w₁. Трехфазная статорная обмотка, включенная в сеть, создает магнитное поле, вращающееся в ту же сторону и с той же частотой. В обмотке статора на рисунке 11.3 выделена фаза, напряжение в которой в рассматриваемый момент времени имеет наибольшее значение. Учитывая, что не напряжение, а ток создает
магнитный поток, следует выяснить, в каком проводнике в этот момент ток имеет максимальное значение.

Если принять сопротивление якорной обмотки чисто индуктивным, синусоида тока будет отставать по фазе от синусоиды напряжения на 90⁰. В том случае, когда машина имеет одну пару полюсов, как это показано на рисунках, фазовый сдвиг плоскости витка с максимальным током относительно плоскости витка с максимальным напряжением будет таким же: 90⁰. На рисунке 11.4. показан тот же статор, что и на рисунке 11.3, но с указанием проводника, в котором в данных условиях будет наблюдаться максимальное значение тока.

Пунктирной линией на рисунке 11.4 показано направление магнитного потока, создаваемого указанным током. Из теории известно, что суммарный вектор индукции всех трех фаз статорной обмотки совпадает по направлению с вектором магнитной индукции той фазы, ток в которой в рассматриваемый момент времени имеет максимальное значение. Это значит, что указанное на рисунке 11.4. направление есть направление вектора магнитной индукции статорной обмотки . На рисунке 11.5 показано взаимное расположение векторов магнитной

индукции якоря и индуктора , соответствующее моменту времени, для которого изображен рисунок 11.3. Следует помнить, что индукция В_а зависит от магнитного сопротивления контура, в котором замыкается магнитный поток, поэтому на рисунке 11.5 показано, что ротор помещен внутрь статора, как это и должно быть в машине, но не возбужден.

Как уже отмечалось выше, описанная ситуация, когда два потока не взаимодействуют друг с другом, является искусственной и при помещении индуктора, изображенного на рисунке 11.3 внутрь станины, показанной на том же рисунке, она изменится. В этом случае поле вращающегося индуктора будет наводить в неподвижных проводниках статорной обмотки ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Нетрудно видеть, что согласно этому правилу для рассматриваемого момента времени в изображенных на рисунке 11.3 проводниках обмотки статора наведенная ЭДС будет иметь направление, противоположное указанному направлению напряжения.

ЭДС, которая в каждый момент времени направлена навстречу приложенному напряжению, может быть подобрана такой величины, чтобы полностью скомпенсировать ток, текущий под действием напряжения. Именно этого равенства и добиваются, подключая генератор параллельно сети методом точной синхронизации.

Как известно, при точном соблюдении условий включения в параллель ток якорной обмотки синхронной машины оказывается равен нулю. Это значит, что рассмотренный ранее вектор магнитной индукции якоря, создаваемый при невозбужденном индукторе, у только что включенной на параллельную работу синхронной машины отсутствует. Однако учет расположения фиктивного вектора , который имел бы место при отсутствии потока индуктора, необходим для последующего анализа режимов работы синхронной машины, включенной в трехфазную сеть. По этой причине на рисунке 11.6 фиктивный вектор показан, благодаря чему связь взаимного расположения векторов потоков и векторов напряжений становится очевидной: при совпадении векторов потоков векторы напряжения U и ЭДС Е также совпадают.

Здесь очень важно определиться с тем, что следует понимать под напряжением U – напряжение сети или напряжение генератора. В одном случае эти напряжения представляют собой одно и то же, в другом – противоположные по фазе синусоидальные величины.

Первый случай проиллюстрирован рисунком 11.7.а): в указанном пунктирной линией контуре течет ток нагрузки, по отношению к которому напряжение сети и напряжение генератора представляют собой одно и то же. Если, все же, говорить о разных напряжениях U_Г и U_С, то, при таком рассмотрении, они представляют собой синусоидальные величины с одинаковой амплитудой и одинаковой фазой.

Во втором случае (рис. 11.7.б) рассматривается контур, в котором протекает ток генератора, и по отношению к этому току напряжение генератора и напряжение сети оказываются направлены противоположно.

На векторной диаграмме, изображенной на рисунке 11.6.б) и на последующих рисунках настоящих методических указаний, под напряжением U следует понимать напряжение самого генератора. Если начальная фаза сетевого напряжения не имеет значения для анализа рассматриваемых процессов, можно говорить о равенстве напряжений генератора и сети, в противном случае следует уточнить, какой синусоидальный сигнал считается общим для обеих величин и с учетом этого изображать векторы сетевого напряжения и напряжения генератора.

Если у синхронного генератора, включенного параллельно сети, увеличить ток возбуждения, действующее значение его ЭДС также возрастет. При этом напряжение генератора останется неизменным. На рисунке 11.8.а) показано, что, в соответствии с упрощенной формулой баланса напряжений фазы статорной обмотки неявнополюсного синхронного генератора:

,

(11.2)

вектор напряжения U дополняется до вектора ЭДС E₀ вектором падения напряжения на продольном индуктивном синхронном сопротивлении фазы якорной обмотки. По расположению вектора падения напряжения можно легко установить положение вектора тока: этот вектор отстает от вектора падения напряжения на 90⁰.

Таким образом, если ЭДС генератора, включенного в сеть, превышает напряжение, его ток становится чисто реактивным, отстающим от вектора собственного напряжения. На рисунке 11.8.а) показано, также, что по отношению к сетевому напряжению этот ток является опережающим, то есть емкостным. В этой связи про синхронную машину, работающую в режиме перевозбуждения, говорят, что она вырабатывает чисто индуктивный ток, но потребляет ток чисто емкостной.

При уменьшении возбуждения синхронной машины наблюдается противоположная картина (рис. 11.5.б): вектор тока опережает вектор напряжения генератора на 90⁰. Следовательно, недовозбужденная синхронная машина, работающая параллельно с сетью, вырабатывает емкостной ток, но по отношению к сети проявляется как индуктивность.

Рассмотренные режимы работы синхронной машины относятся к режиму синхронного компенсатора: в связи с тем, что угол j в этих режимах составляет ±90⁰, активная мощность

,

(11.3)

развиваемая машиной, остается равна нулю, и машина обменивается с сетью чисто реактивным током.

На рисунке 11.9. показаны векторные диаграммы синхронной машины, работающей параллельно с сетью, при увеличении вращающего момента приводного двигателя. В этом случае ротор забегает перед полем статора на некоторый угол q (рис. 11.9.а), но синхронное вращение двух полей продолжается. На векторной диаграмме 11.9.б) показано, что на этот же угол q разошлись векторы напряжения и ЭДС генератора. В соответствии с уравнением 11.2 между концами этих векторов располагается падение напряжения , по расположению которого легко установить положение вектора тока генератора. Проекция этого вектора на ось вектора напряжения U имеет ненулевое положительное значение, на основе чего можно заключить, что активная мощность, развиваемая машиной и определяемая по формуле 11.3, также имеет положительное значение, то есть, отдается синхронной машиной в сеть. Таким образом, синхронная машина, включенная параллельно сети методом точной синхронизации, при увеличении вращающего момента приводного двигателя, переходит в генераторный режим.

Если уменьшить вращающий момент приводного двигателя или совсем снять его, индуктор отстанет от поля статора на угол нагрузки q (рис. 11.10.а), но синхронность вращения двух полей сохранится. При изображенном на рисунке 11.10.б) положении векторов напряжения и ЭДС генератора вектор тока отстает от вектора напряжения на угол >90⁰. Это значит, что проекция вектора тока на ось вектора напряжения становится отрицательной. В соответствии с формулой 11.3 машина развивает отрицательную мощность или, другими словами, потребляет ее из сети, то есть переходит в режим синхронного двигателя.

Положительной особенностью синхронной машины является возможность регулирования ее cosj. На рисунке 11.11 показано, что при наличии возможности увеличить ЭДС машины (для этого обмотка возбуждения должна выдерживать увеличенный ток, а железо машины быть ненасыщенным) cosj, как генераторного (рис. 11.11.а), так и двигательного (рис. 11.11.б) режимов может быть доведен до 1. Если момент на валу при регулировании ЭДС остается неизменным, конец вектора Е скользит по пунктирной линии, показанной на рисунках 11.11.а) и 11.11.б), и машина развивает прежнюю мощность при уменьшенных угле нагрузки q и токе I.

.

Таким образом, синхронная машина, включенная в сеть, может быть, как генератором, так и двигателем, в зависимости от того, какое направление имеет внешний момент, а характер тока, вырабатываемого или потребляемого синхронной машиной, изменяется при изменении ее возбуждения.