Режими на работа на синхронни генератори, работни характеристики на генераторите

Основните величини, характеризиращи синхронния генератор, са: напрежение на терминала U, зареждане Аз, видима мощност P (kVa), обороти на ротора в минута н, фактор на мощността cos φ.

Най -важните характеристики на синхронния генератор са както следва:

• характеристика на празен ход,

• външна характеристика,

• регулираща характеристика.

Характеристика на празен ход на синхронен генератор

Електродвижещата сила на генератора е пропорционална на величината на магнитния поток Ф, създаден от тока на възбуждане iв и броя на оборотите н ротор на генератора на минута:

E = cнF,

къде с — коефициент на пропорционалност.

Въпреки че величината на електромоторната сила на синхронен генератор зависи от броя на оборотите н ротор, невъзможно е да се регулира чрез промяна на скоростта на въртене на ротора, тъй като честотата на електромоторната сила е свързана с броя обороти на ротора на генератора, който трябва да се поддържа постоянен.

Следователно остава единственият начин да се регулира големината на електродвижещата сила на синхронен генератор — това е промяна в основния магнитен поток F. Последното обикновено се постига чрез регулиране на тока на възбуждане iw с помощта на реостат, въведен във възбуждащата верига на генератора. В случай, че намотката за възбуждане се захранва от ток от генератор на постоянен ток, разположен на същия вал с този синхронен генератор, токът на възбуждане на синхронния генератор се регулира чрез промяна на напрежението в клемите на генератора на постоянен ток.

Зависимост на електромоторната сила E на синхронния генератор от тока на възбуждане iw при постоянна номинална скорост на ротора (н = const) и натоварване, равно на нула (1 = 0) се нарича характеристика на празен ход на генератора.

Фигура 1 показва характеристиката на празен ход на генератора. Тук възходящият клон 1 на кривата се отстранява с увеличаване на тока iв от нула до ivм, и низходящият клон 2 на кривата — когато iв се промени от iвm на iв = 0.

Ориз. 1. Характеристика на празен ход на синхронен генератор

Разминаването между възходящите 1 и низходящите 2 клона се обяснява с остатъчния магнетизъм. Колкото по -голяма е площта, ограничена от тези клони, толкова по -големи са загубите на енергия в стоманата на синхронния генератор за обръщане на намагнитването.

Стръмността на издигането на кривата на празен ход в началния й прав участък характеризира магнитната верига на синхронния генератор. Колкото по-нисък е дебитът на ампер-оборотите във въздушните пролуки на генератора, толкова по-стръмна ще бъде характеристиката на празен ход на генератора, при други условия.

Външна характеристика на генератора

Напрежението на клемите на натоварен синхронен генератор зависи от електромоторната сила E на генератора, от спада на напрежението в активното съпротивление на неговата намотка на статора, от спада на напрежението поради електромоторната сила на самоиндукция на разсейване Es и спадът на напрежението поради реакцията на котвата.

Известно е, че разсейващата електродвижеща сила Es зависи от разсейващия магнитен поток Фс, който не прониква в магнитните полюси на ротора на генератора и следователно не променя степента на намагнитване на генератора. Разсейващата се самоиндукционна електромоторна сила Es на генератора е относително малка и следователно може да бъде практически пренебрегната.В съответствие с това, тази част от електромоторната сила на генератора, която компенсира електромоторната сила на самоиндукция на разсейване Es, може да се счита за практически равна на нула.

Отговорът на котвата има по -забележим ефект върху режима на работа на синхронния генератор и по -специално върху напрежението в неговите клеми. Степента на това влияние зависи не само от големината на натоварването на генератора, но и от естеството на товара.

Нека първо разгледаме ефекта от реакцията на котвата на синхронен генератор за случая, когато натоварването на генератора е чисто активно. За тази цел вземаме част от веригата на работещ синхронен генератор, показан на фиг. 2, а. Тук е показана част от статора с един активен проводник на намотката на котвата и част от ротора с няколко негови магнитни полюса.

Ориз. 2. Влияние на реакцията на котвата при натоварвания: а — активна, б — индуктивна, в — капацитивна природа

Във въпросния момент северният полюс на един от електромагнитите, въртящ се обратно на часовниковата стрелка с ротора, просто минава под активния проводник на намотката на статора.

Електродвижещата сила, индуцирана в този проводник, е насочена към нас зад равнината на чертежа. И тъй като натоварването на генератора е чисто активно, токът Аз в намотката на котвата е във фаза с електромоторната сила. Следователно, в активния проводник на намотката на статора, токът тече към нас поради равнината на чертежа.

Магнитните линии на полето, създадено от електромагнити, са показани тук с плътни линии, а магнитните линии на полето, създадени от тока на проводника на намотката на котвата, са показани тук. — пунктирана линия.

По -долу на фиг. 2, а показва векторна диаграма на магнитната индукция на полученото магнитно поле, разположено над северния полюс на електромагнита. Тук виждаме, че магнитната индукция V основното магнитно поле, създадено от електромагнита, има радиална посока, а магнитната индукция VI на магнитното поле на тока на намотката на котвата е насочено надясно и перпендикулярно на вектора V.

Получената магнитна индукция Разрезът е насочен нагоре и надясно. Това означава, че в резултат на добавянето на магнитните полета е настъпило известно изкривяване на основното магнитно поле. Вляво от Северния полюс той донякъде отслабна, а вдясно се увеличи малко.

Лесно е да се види, че радиалната компонента на вектора на получената магнитна индукция, от която по същество зависи величината на индуцираната електродвижеща сила на генератора, не се е променила. Следователно, реакцията на котвата при чисто активно натоварване на генератора не влияе върху големината на електродвижещата сила на генератора. Това означава, че спадът на напрежението в генератора с чисто активен товар се дължи единствено на спада на напрежението в активното съпротивление на генератора, ако пренебрегнем електромоторната сила на самоиндукция на изтичане.

Нека сега приемем, че натоварването на синхронен генератор е чисто индуктивно. В този случай токът Аз изостава във фаза от електромоторната сила Е под ъгъл π / 2… Това означава, че максималният ток се появява в проводника малко по -късно от максималната електромоторна сила. Следователно, когато токът в проводника на намотката на котвата достигне максималната си стойност, северният полюс N вече няма да бъде под този проводник, а ще се измести малко по -нататък в посоката на въртене на ротора, както е показано на фиг. 2, б.

В този случай магнитните линии (пунктирани линии) на магнитния поток на намотката на котвата се затварят през два съседни противоположни полюса N и S и са насочени към магнитните линии на основното магнитно поле на генератора, създадено от магнитните полюси. Това води до факта, че основният магнитен път не само се изкривява, но и става малко по -слаб.

На фиг. 2.6 показва векторна диаграма на магнитните индукции: основното магнитно поле В, магнитното поле, дължащо се на котваната реакция Vi, и полученото магнитно поле Vres.

Тук виждаме, че радиалният компонент на магнитната индукция на полученото магнитно поле е станал по -малък от магнитната индукция B на основното магнитно поле със стойността ΔV. Следователно индуцираната електромоторна сила също е намалена, тъй като се дължи на радиалната компонента на магнитната индукция. Това означава, че напрежението на клемите на генератора, при равни други условия, ще бъде по -малко от напрежението при чисто активен товар на генератора.

Ако генераторът има чисто капацитивен товар, токът в него изпреварва фазата на електромоторната сила под ъгъл π / 2… Токът в проводниците на намотката на котвата на генератора сега достига максимум по -рано от електромоторната сила Е. Следователно, когато токът в проводника на намотката на котвата (фиг. 2, в) достигне максималната си стойност, северният полюс на N все още няма да побере този проводник.

В този случай магнитните линии (пунктирани линии) на магнитния поток на намотката на котвата са затворени през два съседни противоположни полюса N и S и са насочени по пътя с магнитните линии на основното магнитно поле на генератора. Това води до факта, че основното магнитно поле на генератора е не само изкривено, но и донякъде усилено.

На фиг. 2, в показва векторната диаграма на магнитната индукция: основното магнитно поле V, магнитното поле, дължащо се на реакцията на котвата Вя, и полученото магнитно поле Бres. Виждаме, че радиалният компонент на магнитната индукция на полученото магнитно поле е станал по -голям от магнитната индукция B на основното магнитно поле със сума ΔБ. Следователно, индуктивната електромоторна сила на генератора също се е увеличила, което означава, че напрежението на клемите на генератора, при всички други условия, които са същите, ще стане по -голямо от напрежението при чисто индуктивен товар на генератора.

След като установихме влиянието на реакцията на котвата върху електромоторната сила на синхронен генератор при товари с различно естество, пристъпваме към изясняване на външните характеристики на генератора. Външната характеристика на синхронен генератор е зависимостта на напрежението U на неговите клеми от товара I при постоянна скорост на ротора (n = const), постоянен ток на възбуждане (iv = const) и постоянството на фактора на мощността (cos φ = const).

На фиг. 3 са дадени външните характеристики на синхронен генератор за товари от различно естество. Крива 1 изразява външната характеристика при активно натоварване (cos φ = 1,0). В този случай напрежението на клемите на генератора пада, когато натоварването се промени от празен ход на номинално в рамките на 10 — 20% от напрежението на генератора без товар.

Крива 2 изразява външната характеристика с резистивно-индуктивен товар (cos φ = 0, осем). В този случай напрежението на клемите на генератора пада по -бързо поради размагнитващия ефект на реакцията на котвата. Когато натоварването на генератора се промени от празен ход към номинално, напрежението намалява в рамките на 20 — 30% напрежение на празен ход.

Крива 3 изразява външната характеристика на синхронния генератор при активно-капацитивен товар (cos φ = 0,8). В този случай напрежението на клемите на генератора се увеличава донякъде поради магнетизиращото действие на реакцията на котвата.

Ориз. 3. Външни характеристики на алтернатора за различни товари: 1 — активен, 2 — индуктивен, 3 капацитивен

Управляваща характеристика на синхронен генератор

Управляващата характеристика на синхронен генератор изразява зависимостта на тока на полето iв генератора от натоварване Аз с постоянна ефективна стойност на напрежението на клемите на генератора (U = const), постоянен брой обороти на ротора на генератора в минута (н = const) и постоянството на фактора на мощността (cos φ = const).

На фиг. 4 са дадени три управляващи характеристики на синхронен генератор. Крива 1 се отнася до случая на активен натоварване (защото φ = 1).

Ориз. 4.Управляващи характеристики на алтернатора за различни товари: 1 — активен, 2 — индуктивен, 3 — капацитивен

Тук виждаме, че с увеличаване на натоварването I на генератора токът на възбуждане се увеличава. Това е разбираемо, тъй като с увеличаване на натоварването I спадът на напрежението в активното съпротивление на намотката на котвата на генератора се увеличава и е необходимо да се увеличи електромоторната сила E на генератора чрез увеличаване на тока на възбуждане iv, Да запазя постоянство на напрежението U.

Крива 2 се отнася до случая на активно-индуктивно натоварване при cos φ = 0,8… Тази крива се издига по -стръмно от крива 1, поради размагнитването на реакцията на котвата, което намалява величината на електродвигателната сила E и следователно напрежението U на клемите на генератора.

Крива 3 се отнася до случая на активно-капацитивен товар при cos φ = 0,8. Тази крива показва, че с увеличаване на натоварването на генератора е необходим по -малък ток на възбуждане i в генератора, за да се поддържа постоянно напрежение в неговите клеми. Това е разбираемо, тъй като в този случай реакцията на котвата увеличава основния магнитен поток и следователно допринася за увеличаване на електромоторната сила на генератора и напрежението в неговите клеми.