Электрические машины - Работа на автономную нагрузку

Характеристики синхронного генератора при работе на автономную нагрузку

Работа синхронного генератора на автономную нагрузку (рис. 5.19) является простейшей рабочей схемой. Подобная схема работы синхронного генератора наиболее часто встречается у машин сравнительно небольшой мощности ().

Поведение генератора при работе на автономную нагрузку может быть исследовано аналитическими или графоаналитическими методами (см. п. 5.6 и 5.7). Наряду с теоретическими методами существует экспериментальный метод, который позволяет наиболее полно и точно исследовать поведение генератора при работе на автономную нагрузку. При экспериментальном исследовании снимают пять характеристик генератора: характеристику холостого хода, короткого замыкания, внешнюю, регулировочную и нагрузочную. Эти характеристики дают представление о свойствах генератора и позволяют определить его параметры.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода при и определяет состояние магнитной цепи генератора. Для получения характеристики холостого хода ротор генератора вращают с номинальной частотой. Ток возбуждения генератора изменяют от нуля до некоторого максимального значения, соответствующего , а затем обратно от максимума до нуля. Вследствие явления гистерезиса и остаточного намагничивания характеристика холостого хода имеет вид узкой петли (рис. 5.20). За характеристику холостого хода принимают среднюю линию. Точка пересечения этой характеристики с осью ординат определяет остаточную ЭДС генератора .
При практическом использовании характеристики холостого хода она экстраполируется до пересечения с осью абсцисс и перемещается в начало координат. В таком виде она строится в относительных единицах. Базисному напряжению соответствует по характеристике холостого хода базисный ток возбуждения (рис. 5.21). Характеристики холостого хода современных синхронных машин в относительных единицах мало отличаются между собой и их можно представить следующей усредненной («нормальной») характеристикой:

По характеристике холостого хода определяется степень насыщения магнитопровода при номинальном напряжении:
,
а также совместно с другими характеристиками, ряд параметров генератора.

Характеристика короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания снимается при замыкании всех трех фаз обмотки якоря накоротко () и при номинальной частоте вращения . Опыт начинается с наибольшего тока , постепенно снижаемого до нуля. Как следует из схемы замещения (рис. 5.11), ток короткого замыкания
.
Если пренебречь активным сопротивлением якоря (), то внутреннее сопротивление якоря генератора в режиме короткого замыкания будет чисто индуктивным. Поэтому он будет содержать только продольную составляющую
,

создавая размагничивающую реакцию якоря (рис.5.22). Суммарная МДС уменьшается и, следовательно, уменьшается результирующий поток . Определяемая этим потоком ЭДС численно равна ЭДС рассеяния

,
поскольку сумма всех ЭДС в режиме короткого замыкания равна нулю.
В относительных единицах при номинальном токе
.
Сопротивление мало (). Поэтому в режиме короткого замыкания при токах статора, близких к номинальному, магнитная цепь генератора не насыщена, а следовательно, характеристика короткого замыкания является линейной (рис. 5.23). Характеристика короткого замыкания (х.к.з.) совместно с характеристикой холостого хода (х.х.х.) используется для определения полного индуктивного сопротивления якоря по продольной оси . Пусть генератор работает на холостом ходу при токе возбуждения . Напряжение генератора . Если обмотку якоря закоротить, то в ней появится ток
,
где - насыщенное значение полного индуктивного сопротивления якоря по продольной оси.
Обычно определяют ненасыщенное значение . Для этого ЭДС холостого хода берут по спрямленной характеристике холостого хода (рис. 5.23)
.

Ток короткого замыкания при напряжении холостого хода, равном номинальному, выражают в относительных единицах и называют отношением короткого замыкания (ОКЗ),
.
ОКЗ связано с сопротивлением соотношением
.
ОКЗ так же, как и , определяет перегрузочную способность генератора (величину наибольшей нагрузки, которую способен нести генератор). Чем больше ОКЗ, тем больше эта нагрузка. Величина ОКЗ у турбогенераторов составляет , а у гидрогенераторов -

Внешние характеристики

Внешней характеристикой называется зависимость напряжения генератора от тока якоря при постоянных токе возбуждения, частоте вращения и угле нагрузки (, , ). Внешние характеристики показывают, как изменяется напряжение генератора при увеличении нагрузки с заданным , если ток возбуждения остается неизменным.
На рис. 5.24 представлены внешние характеристики генератора для разных видов нагрузки.
Различие во внешних характеристиках объясняется разным действием реакции якоря. При отстающем токе () существует значительная продольная размагничивающая реакция якоря (рис.5.13, а), поэтому с увеличением нагрузки напряжение генератора снижается. При чисто активной нагрузке () также имеет место продольная размагничивающая реакция якоря (так как ), но она выражена слабее и снижение напряжения происходит медленнее.
При опережающем токе () возникает намагничивающая реакция якоря (рис.5.13, б). Поэтому в рабочем диапазоне изменения тока нагрузки напряжение генератора выше, чем при холостом ходе.
Все характеристики сходятся в точке короткого замыкания (, ), не зависящей от характера нагрузки. С помощью внешней характеристики определяется изменение напряжения генератора при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу или обратно. Величина обычно составляет . Она тем больше, чем больше внутреннее сопротивление генератора.

Регулировочные характеристики

Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения от тока якоря при постоянных напряжении генератора, частоте вращения и угле нагрузки (, , ).
Регулировочная характеристика показывает, как нужно регулировать ток возбуждения генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизменным. Опытное определение регулировочных характеристик происходит путем постепенного увеличения нагрузки генератора при неизменном коэффициенте мощности . При этом ток возбуждения регулируется таким образом, чтобы напряжение оставалось неизменным.
Семейство регулировочных характеристик для разного типа нагрузки представлено на рис. 5.25. При активно-индуктивной нагрузке () для компенсации размагничивающего действия реакции якоря необходимо увеличивать ток возбуждения, а при активно-емкостной нагрузке (), наоборот, чтобы поддерживать напряжение генератора на заданном уровне, необходимо ток возбуждения уменьшать, поскольку реакция якоря оказывает намагничивающее действие. При работе генератора на чисто емкостную нагрузку напряжение генератора может появиться даже при отсутствии тока возбуждения. Это явление называется самовозбуждением синхронного генератора.

Нагрузочные характеристики

Нагрузочной характеристикой называется зависимость напряжения генератора от тока возбуждения при постоянных токе якоря, частоте вращения и угле нагрузки (, , ). Существует большое семейство нагрузочных характеристик, охватывающее все многообразие нагрузок генератора, но практический интерес представляет лишь индукционная нагрузочная характеристика, которая снимается при и .

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря (), то рабочий процесс генератора в этом режиме можно описать системой уравнений

(5.14)
которой соответствует векторная диаграмма (рис. 5.26). Из векторной диаграммы следует, что комплексные уравнения (5.14) можно заменить алгебраическими
(5.15)
С помощью этих уравнений можно получить искомую нагрузочную характеристику , если заменить уравнения МДС на эквивалентные им уравнения токов
,
где - ток намагничивания; - ток якоря, приведенный к обмотке возбуждения и вместо характеристики воспользоваться характеристикой холостого хода .
Задавая ЭДС , находим из первого уравнения системы (5.15) напряжение генератора
,
а по характеристике определяем ток намагничивания . Ему соответствует ток возбуждения .

Найденные значения напряжения и тока определяют точку С (рис. 5.27) на искомой характеристике , соответствующую заданной ЭДС (точка А на х.х.х.). Опустим из точки А перпендикуляр на ось абсцисс и отложим на нем отрезок АВ, пропорциональный ЭДС рассеяния , тогда отрезок ВС будет определять приведенный ток якоря в масштабе тока возбуждения . Треугольник АВС получил название реактивного треугольника. Катеты этого треугольника пропорциональны току нагрузки . В рассматриваемом режиме ток , поэтому катеты остаются неизменными при различных значениях тока возбуждения. Отсюда следует, что при перемещении вершины А реактивного треугольника по х.х.х. вершина С будет определять точки нагрузочной характеристики (рис. 5.27). Начальная точка этой характеристики соответствует режиму короткого замыкания. Ее координаты известны: , , поэтому их можно использовать для определения приведенного тока якоря
.
Ток намагничивания в режиме короткого замыкания определяется по характеристике холостого хода при известной величине ЭДС
.
Описанный способ построения индукционной нагрузочной характеристики давал бы точное совпадение с опытной индукционной нагрузочной характеристикой, если бы х.х.х. точно отражала насыщение генератора при нагрузке. В действительности же из-за дополнительного подмагничивания стали потоками рассеяния магнитная характеристика генератора будет идти ниже х.х.х. (рис. 5.16) и, следовательно, опытная индукционная характеристика будет идти ниже расчетной.
Используя х.х.х. и опытную индукционную нагрузочную характеристику, можно определить сопротивление Потье . Для этого на горизонтальной прямой, соответствующей номинальному напряжению, отложим из точки отрезок , равный току возбуждения в режиме короткого замыкания (отрезок ), и проведем линию параллельно спрямленной в начале координат х.х.х. Опустив из точки перпендикуляр на линию , получим отрезок , пропорциональный .

Поэтому
,
где - масштаб кривых по оси ординат.
Если кривые построены в относительных единицах, то . Для гидрогенераторов величина сопротивления Потье , а для турбогенераторов .