Синхронный генератор

Ротор генератора приводится во вращение с постоянной частотой n от приводного двигателя, в качестве которого может выступать паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания или электрический двигатель. Если в обмотку ротора подается ток возбуждения, то вместе с ротором вращается магнитное поле возбуждения, которое согласно закону электромагнитной индукции наводит в неподвижной трехфазной обмотке якоря (статора) трехфазную синусоидальную систему ЭДС с действующим значением E ₀:

Схема полей статора и ротора синхронного генератора- хронный генератор

,

где K _об – обмоточный коэффициент якоря; f = pn /60 – частота синусоидальных ЭДС якоря; w – число витков одной фазы обмотки якоря;
Ф _{m в} – амплитуда потока возбуждения.

Действующее значение каждой фазной ЭДС – Е _А, Е _В, Е _С равны по значению и отстают друг от друга на угол 120°.

Упрощенные схема замещения и векторная диаграмма синхронного генератора

Оси потока возбуждения и результирующего потока смещены на некоторый угол θ (зависящий от величины нагрузки), у генератора ось результирующего потока отстает от оси потока возбуждения (см. рис.). Поле ротора как бы «тянет» за собой поле якоря, при этом на валу ротора создается тормозной момент M _т, направленный против вращающего момента приводного двигателя M _пд. Пренебрегая активным сопротивлением обмоток и потоком рассеяния якоря, схеме замещения одной фазы якоря можно придать вид правого рис., а, где X _сн – синхронное индуктивное сопротивление фазной обмотки якоря, учитывающее ЭДС самоиндукции, наводимую в обмотке вращающимся полем якоря. Для схемы замещения рис., а получаем упрощенное уравнение ЭДС генератора:

₀ = + jX _сня, где – фазное напряжение статора.

Схема замещения якоря (а) и векторная диаграмма (б) синхронного генератора

₀ = + jX _сня,

Если к якорю генератора подключается активно-индуктивная нагрузка, например асинхронный двигатель, то ток якоря отстает на угол φ от напряжения статора и векторная диаграмма принимает вид, показанный на рис., б.

Индуктивное напряжение jX _сня,, задаваемое вторым слагаемым в формуле, опережает ток якоря _я на угол 90°. Угол θ между векторами ₀ и равен углу между осями потоков Ф_в и Ф (рис.) и называется углом нагрузки или углом рассогласования.

Реакция якоря. При подключении обмотки якоря к трехпроводной сети по ней протекает ток якоря I _я , создающий магнитный поток Ф _я. Воздействие магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией якоря и зависит от характера нагрузки, т. е. от угла сдвига фаз между ЭДС и током якоря.

На рис. а показаны обмотка возбуждения генератора в виде одного витка фазы А статора и картина магнитных потоков при активной нагрузке, когда угол между векторами ЭДС и тока равен 0 (Ψ =0). При указанном направлении вращения ротора по правилу правой руки определяется направление ЭДС в проводниках фазы А. Так как проводники располагаются на осевой линии полюсов, то в них индуцируются максимальные значения основной ЭДС (+ Е _0М и – Е _0М). При активной нагрузке по проводникам фазы А протекают в этот момент времени максимальные токи (+ I _м и – I _м).

Магнитный поток Ф _я создается токами трех фаз и вращается с частотой

n = 60 f / p, т. е. с той частотой, что и основной магнитный поток. Результирующий магнитный поток Ф, равный сумме основного потока и потока якоря (Ф = Ф₀ + Ф _я), вращается с синхронной скоростью. Этот поток, как и основной, неподвижен относительно ротора.

Рассмотрим векторные диаграммы магнитных потоков и ЭДС синхронного генератора при различных углах Ψ - углом между векторами тока и ЭДС.

При активной нагрузке Ψ = 0 (рис.а) по фазе ток I совпадает с ЭДС Е ₀ . ЭДС Е ₀ индуцируется основным магнитным потоком Ф_0. и отстает от него на угол 90°. Поток якоря Фяq совпадает с током по фазе, а ЭДС Ея, индуцируемая вращающимся потоком Фя в обмотке якоря, отстает от него по фазе на угол 90°. Значение Ея определяется по формуле аналогичной

ЭДС Ея – это ЭДСсамоиндукции, пропорциональной потоку Фяq или

току I. Поэтому

Ėя = – jХяİ_,,

где Хя – индуктивное сопротивление обмотки статора, обусловленное магнитным потоком якоря.

Результирующие магнитный поток Ф и ЭДС Ė находят из уравнений

Ф = Ф₀ + Ф_я

Ė = Ė₀ + Ė_я

При индуктивной нагрузке, когда Ψ =90° (рис.b), по фазе ток I отстаёт от ЭДС Е ₀ но угол 90°, а магнитный поток Фяd совпадает по фазе с током I

(рис. b). При индуктивной нагрузке поток якоря Фяd направлен навстречу основному потоку Ф и поэтому является размагничивающим. Индуктивная нагрузка уменьшает результирующий магнитный поток и результирующую ЭДС Ė.

При ёмкостной нагрузке, когда Ψ = – 90° (рис.в), по фазе ток I опережает ЭДС Е ₀ но угол 90°и магнитный поток Фяd совпадает по фазе с током I

(рис.в). При ёмкостной нагрузке поток якоря Фяd совпадает с основным магнитным потоком Ф и поэтому является намагничивающим. Ёмкостная нагрузка увеличивает результирующий магнитный поток и результирующую ЭДС Ė.

Следовательно, если нагрузка активно – индуктивная, то реакция якоря размагничивающая, а если активно – ёмкостная, то намагничивающая.