Характеристики синхронных генераторов

Рис. 1.12. Характеристика холостого хода синхронного генератора

Характеристика холостого хода синхронного генератора (рис. 1.12), представляющая собой графическую зависимость E₀=f(i_В) при n =const и I =0, имеет такой же вид, как и характеристика холостого хода генератора постоянного тока. Величина э.д.с. E_ост индуктируемая от остаточного магнитного потока, обычно не превышает у самолетных генераторов 3% номинального напряжения. Характеристика холостого хода имеет восходящую и нисходящую ветви; за расчетную характеристику здесь принимают также среднюю (штриховую) кривую.

Наряду с характеристикой холостого хода основное значение при испытании и оценке свойств синхронного генератора имеет характеристика короткого замыкания (рис. 1.13), представляющая собой графическую зависимость установившегося тока короткого замыкания от тока возбуждения I_К=f(i_В) при U =0 и n =const. При коротком замыкании синхронный генератор представляет собой практически чисто индуктивное сопротивление (r << x_d; I_q ≈0, так как φ≈90°). Поэтому величину тока короткого замыкания можно определить по формуле

Рис. 1.13. Характеристики короткого замыкания и холостого хода синхронного генератора.

Магнитодвижущая сила якоря в этом случае является продольно-размагничивающей. Результирующая м.д.с., составляя незначительную величину от м.д.с. полюсов, создает небольшой результирующий поток, обусловливающий наведение в обмотке якоря э.д.с. .

Таким образом, можно считать, что при коротком замыкании магнитная система не насыщена. Поэтому Е₀ пропорционально i_B, a x_d постоянно. Прямолинейность характеристики короткого замыкания нарушается лишь при токах I_K, значительно превышающих номинальный ток I_H. Характеристики короткого замыкания и холостого хода позволяют определить ряд важных элементов и параметров синхронной машины. Прежде всего с помощью этих характеристик, как видно из уравнения (1.12), можно найти синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси. Весьма большое значение для характеристики синхронной машины имеет так называемое отношение короткого замыкания (сокращенно ОКЗ). Под этим термином понимается отношение тока возбуждения, соответствующего номинальному напряжению при холостом ходе, к току возбуждения, соответствующего номинальному току якоря при коротком замыкании. Согласно принятым на рис. 1.13 обозначениям:

Заменяя в этом выражении установившийся ток короткого замыкания I_K₁ его значением получим

Для авиационных синхронных машин ОКЗ =0,6-0,3. Для промышленных неявнополюсных машин типа турбогенераторов ОКЗ =0,5-0,7, а для явнополюсных машин типа гидрогенераторов ОКЗ=1-1,4.

Рис. 1.14. Внешние характеристики для различных значений cos¢ и тока возбуждения, соответствующего номинальному напряжению при холостом ходе

ОКЗ позволяет судить о габаритах и стоимости генераторов, изменении его напряжения при колебаниях нагрузки, способности к перегрузкам при параллельной работе.

Машина, имеющая большее значение ОКЗ, имеет большие габариты (из-за увеличенного воздушного зазора), вес и стоимость, но вместе с тем меньшие изменения напряжения при колебаниях нагрузки и большую устойчивость при параллельной работе.

С помощью характеристик холостого хода и короткого замыкания можно построить так называемый реактивный треугольник AB'C (рис. 1.13). Один катет этого треугольника AB'≈E_K =I_K,x_S, другой— F’’_ad (или F’_a) в масштабе тока возбуждения. Вместо треугольника AB'C часто пользуются равным ему треугольником AВС.

Внешняя характеристика синхронного генератора представляет собой графическую зависимость U=f(I) при п = const, i_B =const и cosφ = const. На рис. 1.14 приведены эти характеристики для различных значений cosφ и тока возбуждения, соответствующего номинальному напряжению при холостом ходе. В соответствии с изложенным выше падение напряжения при отстающем токе получается тем больше, чем меньше cosφ. С помощью этих характеристик можно определить процентное падение напряжения ∆U при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке, например, для cosφ=0,8.

(1.14)

Для машин с явно выраженными полюсами эта величина обычно равна 30—40%. В машинах с неявно выраженными полюсами относительное влияние м. д. c. реакции якоря обычно больше, а потому больше и величина процентного падения напряжения.

Регулировочная характеристика (рис. 1.15) представляет собой графическую зависимость: i_B=f(I) при U = const, cosφ =const и n = const.

Регулировочные характеристики позволяют определить пределы регулирования тока возбуждения для поддержания неизменного (обычно номинального) напряжения при изменении нагрузки от нуля до номинального значения, атакже и для обеспечения заданной перегрузки. В связи с этим они имеют важное значение при выборе и расчете машин и аппаратуры, регулирующей напряжение генератора.

Рис. 1.15. Регулировочные характеристики синхронного генератора

Нагрузочная характеристика представляет собой графическую зависимость U=f (i_B) при I = const, n =const и cosφ = const. На рис. 1,16 приведены эти характеристики для различных значений cosφ, снятые при одном и том же токе нагрузки I = const. При отстающем токе нагрузочные характеристики располагаются ниже характеристики холостого хода, а при емкостной нагрузке - проходят выше ее. Это соответствует приведенным выше векторным диаграммам для указанных нагрузок.

Особый интерес представляет индукционная нагрузочная характеристика, снимаемая при чисто индуктивной нагрузке (cosφ=0). Разность напряжений между характеристикой холостого хода и индукционной нагрузочной характеристикой при одном и том же токе возбуждения представляет собой, если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря, I_d, откуда можно найти x_d c учетом насыщения магнитной системы. Как видно из рис. 1.16, с уменьшением насыщения машины величина синхронного индуктивного сопротивления x_d по продольной оси увеличивается.

Следует подчеркнуть, что индукционная характеристика может быть легко построена при заданном реактивном треугольнике. Для этого треугольник нужно перемещать параллельно самому себе так, чтобы одна из его вершин (А на рис. 1.16) скользила по характеристике холостого хода. Тогда другая его вершина (С) опишет искомую кривую в предположении, что при I =const стороны реактивного треугольника неизменны для всех напряжений, начиная от U= 0.