Синхронных генераторов

При протекании тока по обмотке якоря однофазного генера­тора создается неподвижная в пространстве и пульсирующая во времени м.д.с. F_a. Такую м.д.с., как указывалось, можно представить в виде двух м.д.с., вращающихся в противоположные стороны с синхронной скоростью, с амплитудами, равными поло­вине амплитуды пульсирующей м.д.с.

Одну составляющую м.д.с., вращающуюся в ту же сторону, что и ротор машины, называют прямосинхронной м.д.с. якоря, вторую составляющую м.д.с., вращающуюся против направления вращения ротора, — обратносинхронной (или инверсной) м.д.с. якоря.

Рис. 1.9. Конструктивные схемы демпферных обмоток

Прямосинхронная м.д.с., будучи неподвижной относительно полюсов, проявляет себя в зависимости от характера нагрузки так же, как и м.д.с. якоря в трехфазной машине.

Поток обратносинхронной м.д.с., вращаясь с двойной син­хронной скоростью относительно полюсов, наводит в обмотке ро­тора и сердечниках полюсов токи двойной частоты, обуславли­вающие дополнительные потери и увеличение нагрева генератора.

Токи двойной частоты, наводимые в обмотке возбуждения (вихревые токи в стали ротора малы из-за сравнительно большого сопротивления контуров, по которым они протекают), обуславливают, по правилу Ленца, поток, направленный навстречу обратно синхронному потоку. Вследствие этого величина обратносинхронного потока резко уменьшается; однако лишь в те моменты, когда это поле совпадает с осью полюсов.

Для обеспечения нормальной работы машины обратносинхронный поток демпфируется не обмоткой возбуждения, а специ­альной демпферной (успокоительной) обмоткой (рис.1.9.).

В машинах с явно выраженными полюсами демпферные обмотки выполняются в виде короткозамкнутых витков с малым сопротивлением, охватывающих сердечники полюсов (рис.1.9. а), или в виде клеток из медных стержней, уложенных в пазах по­люсных наконечников и соединенных между собой по торцам либо только в пределах полюсного наконечника (рис.1.9. б), либо об­щими кольцами по всей окружности полюсных наконечников (рис.1.9. в). В том случае, когда клетка имеется только в преде­лах полюсных наконечников, токами в короткозамкнутых витках ее демпфируется обратносинхронный поток лишь по оси полюсов. Если же стержни клетки замкнуты общими кольцами по всей окружности полюсных наконечников, то обратносинхронный по­ток демпфируется также и по поперечной оси токами в короткозамкнутых витках, образуемых стержнями двух смежных полюсов.

В машинах с неявно выраженными полюсами роль стержней демпферной обмотки играют обычно бронзовые клинья, с по­мощью которых укрепляется обмотка возбуждения в пазах ро­тора. На торцовых концах клинья замыкаются специальными кольцами или бандажными крышками.

Следует отметить, что при работе трехфазного генератора при несимметричной нагрузке также появляется обратносинхронное магнитное поле. Поэтому для его демпфирования и в трехфазных генераторах применяют демпферные обмотки.

1.4. Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного

генератора при симметричной нагрузке

Колебание напряжения генератора от номинального значения затрудняет работу потребителей электроэнергии. Поэтому важно уметь рассчитать м.д.с. возбуждения, чтобы скомпенсировать изменение напряжения, обусловливаемое влиянием реакции яко­ря, э.д.с. от потоков рассеивания и падением напряжения на ак­тивном сопротивлении обмотки якоря. Эта и ряд других практи­чески важных задач решаются с помощью векторных диаграмм. Так как основным фактором, обусловливающим изменение на­пряжения, является реакция якоря, влияние которой различно для машин различного конструктивного исполнения, то прихо­дится рассматривать в отдельности векторные диаграммы для машин обоих типов.

Рис. 1.10. Векторные диаграммы напряжений синхронного генератора с явно выраженными полюсами:

а-основная; б-видоизмененная.

Полагая нагрузку симметричной, в дальнейшем будем иметь в виду лишь одну фазу машины и только для нее строить вектор­ную диаграмму. При этом в целях упрощения будем полагать магнитную систему ненасыщенной. В этом случае можно приме­нить метод наложения (суперпозиции) и считать, что м.д.с. полюсов и якоря создают самостоятельные потоки, существующие независимо один от другого и индуктирующие в обмотке якоря самостоятельные э.д.с., а реальный поток в воздушном зазоре машины при нагрузке представляет собой геометрическую сумму частичных потоков.

Исходя из метода двух реакций, можно считать, что в обмот­ке якоря машины с явно выраженными полюсами индуктируются следующие э.д.с.:

а) от основного потока полюсов ;

б) от потока якоря по продольной оси ;

в) от потока якоря по поперечной оси ;

г) от потока рассеивания якоря . Таким образом, диаграмма напряжений приобретает вид, ана­логичный показанному на рис. 1.10, a.

Введем обозначения:

Коэффициенты пропорциональности x_ad, x_aq и x_S здесь представляют собой индуктивные сопротивления реакции якоря, эквивалентные действию потоков якоря по продольной и поперечной осям, а также потока рассеивания.

Заменяя Es ее составляющими по продольной и поперечной осям и и пренебре­гая падением напряжения на активном сопротивлении Ir, можно привести векторную диаграмму синхронного генератора к виду, изображенному на рис. 1.10, б. Отрезки АК. и KG здесь соответ­ственно равны:

Величины

входящие в полученные выше соотношения, называются соответственно синхронными индуктивными сопротивлениями по продольной и поперечной осям машины. Они являются параметрами синхронной машины с явно выра­женными полюсами и служат для оценки ее свойств.

В генераторах с неявно выраженными полюсами магнитное сопротивление воздушного зазора одинаково по всей окружности и потому нет необходимости (в отличие от машин с явно выра­женными полюсами) разделять поток реакции якоря Ф_a на про­дольную Ф_ad и поперечную Ф_aq составляющие. Если для такой машины построить векторную диаграмму, полагая, что в якоре индуктируются э.д.с.:

а) от основного потока полюсов ;

б) от потока якоря ;

в) от потока рассеивания якоря ,

то она будет иметь вид, изображенный на рис. 1.11,а. Из ана­лиза этой диаграммы следует, что действие потоков Ф_a и Ф_S можно учесть одной величиной

где

Векторная диаграмма в этом случае (рис. 1.11, б) называется упрощенной, а x_C - синхронным индуктивным со­противлением.

При практическом использовании описанных диаграмм для решения поставленной выше задачи по определению м.д.с. воз­буждения поступают следующим образом. Откладывают вектор тока I под углом φ, к нему проводят вектор напряжения U. Строят векторы падений напряжений на активном сопротивле­нии Ir и индуктивном сопротивлении рассеивания E_S. Затем в зави­симости от типа машины определяют и откладывают падение напряжения – Е_a или - Е_q и - Е_d. В результате получают э.д.с. холостого хода E₀., по которой с помощью характеристики холо­стого хода находят необходимую м.д.с. возбуждения. Основная трудность при этом заключается в определении величины Е_a или Е_q и Е_d.. Это делается по характеристике холостого хода. По оси абсцисс характеристики холостого хода откладывается м.д.с. возбуждения. В машинах с неявно выраженными полюсами м.д.с. возбуждения распределена по полюсному делению по закону трапеции, а в машинах с явно выраженными полюсами — по закону четырехугольника. Поэтому в первом случае по оси аб­сцисс характеристики холостого хода будут отложены высоты соответствующих трапецеидальных кривых, во втором - четырехугольников. Кривая м.д.с. обмотки якоря, как подчеркивалось выше, близка к синусоиде.

Рис. 1.11. Векторные диаграммы напряжений синхронного генератора с неявно выраженными полюсами:

а – основная; б – упрощенная.

Следовательно, чтобы воспользоваться характеристикой холостого хода для определения э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря потоками, созданными м.д.с. якоря, необходимо привести эту м.д.с. к м.д.с. возбуждения, т. е. найти ту эквивалентную м.д.с. полюсов (высоту трапеции или четырехугольника), которая создавала бы ту же основную гармонику магнитного потока, что и м.д.с. якоря. Анализ показывает, что это можно сделать с помощью соотношений:

или

где - амплитуда м.д.с. якоря трехфазной машины на пару полюсов;

k_a, k_ad и k_aq - коэффициенты приведения м.д.с. (обычно k_a, ≈ 1, k_ad ≈ 0,7-0,9 и k_aq = 0,2-0,8; формулы для расчета k_a, k_ad и k_aq приводятся в книгах по расчету синхронных машин)

При сравнении синхронных машин различного конструктивно­го исполнения, а также различных напряжений и мощностей при­нято выражать указанные выше параметры в относительных еди­ницах:

где U_H, I_H - номинальные значения напряжения и тока. Для авиационных машин нормального исполнения мощностью от 7,5 до 120 кВА средние значения отдельных параметров обычно равны R =0,07-0,03; X_S =0,3-0,1; X_d =0,9—1,5. Для машин с неявно выраженными полюсами проводимость си­ловых линий поля якоря по осям d—d и q—q практически оди­накова и поэтому можно полагать, что .