2014-02-09
8339
Под холостым ходом автономного синхронного генератора понимается такой режим работы, когда ротор вращается приводным двигателем, а ток в разомкнутой обмотке якоря равен нулю. В этом случае магнитное поле машины будет создаваться только током обмотки возбуждения. Это поле можно разложить на две составляющие: основное поле, магнитные линии которого проходят через воздушный зазор и сцепляются с обмоткой якоря, и поле рассеяния полюсов, магнитные линии которого сцепляются только с обмоткой возбуждения.
Магнитный поток основного поля при вращении ротора индуцирует в обмотке якоря ЭДС. К ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря синхронного генератора, и к напряжению на его выводах предъявляется требование, чтобы их форма приближалась к синусоидальной. Это вызвано тем, что при синусоидальных ЭДС и напряжении ток в якоре и в нагрузке при линейном характере магнитной цепи и нагрузки также будет синусоидальным. Вследствие этого общие потери в генераторе и у потребителей уменьшаются, так как будут отсутствовать добавочные потери от высших гармонических. Проверка синусоидальности кривой выполняется для линейного напряжения при рабочей схеме соединения обмотки якоря. Критерием для оценки служит коэффициент искажения синусоидальности кривой, выраженный в процентах:
|
|
|
где Em, Emv — амплитудное (или действующее) значение основной и высшей гармонической составляющей ЭДС.
Стандартом предписывается иметь коэффициент искажения кривой линейного напряжения в трехфазных генераторах переменного тока частотой 50Гц не более 5 % для генераторов мощностью свыше 100 кВ∙А и не более 10% для генераторов мощностью до 100 кВ∙А.
Рис. 1. Полюс явнополюсного синхронного генератора с неодинаковым воздушным зазором (а) и распределение магнитной индукции в зазоре (б)
→
Рис. 2. Полюсное деление неявнополюсного синхронного генератора (а) и кривая распределения МДС возбуждения (б)
Для получения кривой ЭДС, близкой к синусоиде, прежде всего необходимо, чтобы кривая поля возбуждения машины была по возможности ближе к синусоиде. В явно-полюсной машине для этого зазор между полюсом и статором выполняют неодинаковым (рис. 1, а). Обычно под краями полюса зазор принимают в 1,5—2 раза большим, чем под серединой. Распределение индукции под полюсом при такой конфигурации его наконечника показано на рис. 1, б. Там же штриховой линией для сравнения, показана кривая индукция при равномерном зазоре.
В неявнополюсной машине улучшение формы поля возбуждения достигается выбором соотношения между обмотанной и необмотанной частями полюсного деления (рис. 2, а). Пренебрегая влиянием пазов, создающих некоторую ступенчатость в кривой МДС и индукции, можно принимать, что МДС возбуждения, а также кривая поля распределены по окружности цилиндрического ротора с неявными полюсами по закону трапеции. Тогда амплитуды основных гармоник МДС и индукции поля будут соответственно равны:
|
|
|
где FB1 и Вσ1 —максимальные значения 1-й гармонической МДС обмотки возбуждения на один полюс и индукции в зазоре; wB, I B —витки обмотки возбуждения на полюс и ток возбуждения.
В целях улучшения кривой поля возбуждения необмотанную часть выбирают равной τ/3 (α=π/3). В этом случае (в кривой поля будут отсутствовать все гармоники с номером, кратным 3, а остальные высшие гармоники будут ослаблены. Кроме того, для улучшения формы кривой индуцированной ЭДС применяют распределение обмотки якоря по пазам и укорочение ее шага.
Важной характеристикой синхронной машины является характеристика холостого хода. Она представляет собой зависимость ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря Е, от тока в обмотке возбуждения I B при неизменной частоте вращения ротора. Эта характеристика позволяет оценить насыщение магнитной цепи машины, кроме того, ее используют для построения векторных диаграмм и других характеристик машины.
Расчетным путем характеристика холостого хода может быть получена из расчета магнитной цепи.
На рис. 3 показана схема для снятия характеристики холостого хода опытным путем. С помощью резистора R B ток возбуждения изменяют от максимального значения до нуля, записывая при этом показания амперметра и вольтметра. Опытная характеристика холостого хода показана на рис. 4 штриховой линией. При I B= 0 ЭДС равна ЭДС от остаточного магнетизма EOCT =2÷3 % UHOM. При расчетах обычно используют характеристику холостого хода, которую получают, смещая опытную характеристику вправо на отрезок A0 (сплошная линия).
На основании сравнения характеристик холостого хода различных синхронных генераторов было установлено, что эти характеристики мало отличаются друг от друга, если построение их производить в относительных единицах. При переводе ЭДС в относительные единицы ее текущее значение в вольтах делят на номинальное напряжение якоря (Е*=E/UHOM). Относительное значение тока возбуждения находят по отношению текущего значения тока возбуждения в амперах к току, принятому за базовый I B,б 
. За базовый ток возбуждения I B,б принимается ток, соответствующий по характеристике холостого хода E=UНОМ.
| Рис. 3. Схема для снятия –характеристики холостого хода | Рис. 4. Характеристика холостого хода |
Полученные таким образом характеристики называются нормальными характеристиками холостого хода. Данные этих характеристик для явнополюсных и неявнополюсных генераторов приведены в таблице.
| I B* | 0,5 | 1,5 | 2,5 | 3,5 | ||||
| E * | 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
|
Примечание. В числителе дроби дана ЭДС явнополюсных генераторов (гидрогенераторов), а в знаменателе — неявнополюсных генераторов (турбогенераторов).
3. Реакция якоря
Если одиночный трехфазный синхронный генератор подключить к симметричной нагрузке, то по фазам обмотки якоря будут протекать равные, но сдвинутые относительно друг друга на электрический угол, равный 120°, токи. Эти токи создадут вращающееся магнитное поле. Поле якоря перемещается в пространстве с той же частотой вращения и в ту же сторону, что и поле возбуждения, т. е. по отношению друг к другу эти поля будут неподвижны. Результирующее поле машины при нагрузке будет создаваться совместным действием МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря. Оно будет отличаться от поля при холостом ходе.
Воздействие МДС якоря на поле машины называется реакцией якоря. Характер этого воздействия зависит от взаимного расположения в пространстве полей возбуждения и якоря. Поле возбуждения всегда направлено по оси полюсов и обусловливает ЭДС в проводниках обмотки якоря. Принято ось, совпадающую с осью полюсов, называть продольной осью машины d, а ось, перпендикулярную ей, — поперечной q. Ориентация поля якоря в пространстве зависит от распределения тока в проводниках его обмотки, что в свою очередь определяется углом сдвига этого тока от индуцируемой ЭДС. В дальнейшем этот угол сдвига будем обозначать буквой ψ. Угол ψ изменяется от π/2 до -π/2 и зависит от характера нагрузки генератора. Рассмотрим с качественной стороны проявление реакции якоря в трех крайних случаях.
|
|
|
1) Токи в фазах отстают от соответствующих ЭДС на угол ψ=π/2. Если пренебречь относительно малым активным сопротивлением фазы якоря, то можно считать, что такому углу соответствует индуктивный характер нагрузки.
На рис. 5 показан поперечный разрез двухполюсного синхронного генератора. Для упрощения обмотка каждой фазы представлена одновитковой катушкой с диаметральным шагом. Будем считать, что магнитное поле полюсов имеет синусоидальный характер. При вращении ротора в обмотках фаз якоря наводятся ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки. Для момента времени, изображенного на рис. 6, направление этих ЭДС показано значками: крестик и точка вне пределов проводника. Максимальная ЭДС будет индуцироваться в проводниках фазы А, расположенных под серединами полюсов, где индукция имеет максимальное значение.
| Рис. 5. Реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке (ФB — поток возбуждения; Фα – поток якоря) | Рис. 6. Векторная диаграмма синхронного генератора для момента времени, изображенного на рис. 5 |
Для упрощения обмотка каждой фазы представлена одновитковой катушкой с диаметральным шагом. Будем считать, что магнитное поле полюсов имеет синусоидальный характер. При вращении ротора в обмотках фаз якоря наводятся ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки. Для момента времени, изображенного на рис. 5, направление этих ЭДС показано значками: крестик и точка вне пределов проводника. Максимальная ЭДС будет индуцироваться в проводниках фазы А, расположенных под серединами полюсов, где индукция имеет максимальное значение.
|
|
|
На рис. 6 показана векторная диаграмма ЭДС и токов. Величину и направление мгновенные значения токов в фазах и их направление определяют, проектируя векторы токов I A, I B, I С на вертикальную ось. Исходя из этого, на рис. 5 внутри проводников показано направление токов в фазах. Как следует из рис. 5 и 6, ток в фазе А в рассматриваемый момент времени равен нулю, а в фазах В и С токи равны, но противоположны по направлению. Эти токи создают магнитное поле, направление которого, определенное по правилу буравчика, показано на рис. 5. По отношению к оси полюсов оно является продольным и направлено навстречу полю возбуждения. Таким образом, при индуктивной нагрузке в синхронном генераторе возникает продольная размагничивающая реакция якоря вследствие чего результирующий поток и индуцированная в обмотке якоря ЭДС будут меньше, чем при холостом ходе.
Если, использовав правило левой руки по рис. 5, определить направление сил f, действующих на проводники якоря, то можно установить, что на проводники, расположенные под одним и тем же полюсом, действуют силы, направленные в противоположные стороны, и результирующий электромагнитный момент машины будет равен нулю. Таким образом, при продольной реакции якоря в синхронном генераторе не создается электромагнитного момента.
2) Емкостная нагрузка. Токи фаз опережают соответствующие ЭДС на угол ψ=-π/2. На, рис. 7 дан поперечный разрез синхронного генератора, соответствующий тому же моменту времени, что и на рис. 5. На нем согласно векторной диаграмме (рис. 8) показано направление токов в проводниках обмотки якоря. В рассматриваемом случае распределение тока по проводникам якоря сохраняется таким же, как и при индуктивной нагрузке, но изменяется на противоположное направление тока в фазах В и С. В соответствии с этим поле якоря по отношению к оси полюсов d будет также продольным, но оно будет оказывать намагничивающее действие на поле возбуждения. Следовательно, при емкостной нагрузке реакция якоря в синхронном генераторе будет продольной и намагничивающей.
По аналогии с предыдущим случаем можно показать, что при емкостной нагрузке не создается электромагнитный момент.
| Рис. 7. Реакция якоря при чисто емкостной нагрузке | Рис. 8. Векторная диаграмма синхронного генератора для момента времени, изображенного на рис. 7 |
3) Формально- активная нагрузка. Нагрузка, соответствующая ψ=0. В этом случае токи фаз будут совпадать с индуцированными в них ЭДС. Для этого синхронный генератор должен быть нагружен не на активную, а на активно-емкостную нагрузку 
. Емкостное сопротивление хCНГ должно быть подобрано так, чтобы оно компенсировало индуктивное сопротивление фазы обмотки якоря.
Разрез машины и векторная диаграмма для рассматриваемого случая показаны на рис. 9, 10. Максимальный ток будет в фазе А, где в данный момент ЭДС также максимальна. В фазах В и С токи в 2 раза меньше, чем в фазе А, и противоположно направлены току в фазе А. Магнитное поле, созданное токами якоря, по отношению к оси полюсов, является поперечным. Оно будет ослаблять поле на набегающей половине полюса и усиливать его на сбегающей половине полюса.
Поперечное поле якоря не изменяет потока, если машина ненасыщенна, и будет несколько уменьшать его в насыщенной машине. Таким образом, при активной нагрузке, когда ψ=0, возникает поперечная реакция якоря, искажающая магнитное поле в зазоре машины. Для данного случая электромагнитные силы, создаваемые током, протекающим по проводникам обмотки статора, направлены в одну и ту же сторону, совпадающую с направлением вращения ротора.
Рис. 9. Реакция якоря при ψ=0
→
Рис. 10. Векторная диаграмма синхронного генератора для момента времени, изображенного на рис. 9
Рис. 11. Разложение тока I на продольную I d и поперечную Iq составляющие
Поскольку эти проводники вместе со статором неподвижны, то возникает реакция на ротор, направленная в сторону, противоположную его вращению. Таким образом, при ψ=0 электромагнитные силы в генераторе будут создавать тормозной момент, действующий на ротор.
В общем случае, когда 0<|ψ|<90°, ток I можно разложить на две составляющие (рис. 11).
Одна из этих составляющих I q совпадает по фазе с ЭДС, создает поперечную реакцию якоря и носит название поперечного тока якоря. Другая составляющая I d. перпендикулярна ЭДС, создает продольную реакцию якоря и носит название продольного тока якоря. Таким образом, в общем случае в машине при нагрузке будет существовать как продольная, так и поперечная реакция якоря.
