Характеристики синхронных генераторов

Основными характеристиками синхронного генератора, работающего на автономную нагрузку, являются: характеристика холостого хода, внешняя, регулировочная и характеристика короткого замыкания.

Характеристика холостого хода XXX показана на рис. 4.25. Подробно она была рассмотрена в параграфе 4.4. Характеристика холостого хода имеет начальную прямолинейную часть 0/1, когда магнитная цепь не насыщена. Машина начинает насыщаться вблизи номинального значения ЭДС.

При глубоком насыщении XXX снова становится линейной. По XXX можно определить взаимную индуктивность между обмотками возбуждения и обмоткой якоря. Взаимная индуктивность имеет насыщенное и ненасыщенное значения и может быть определена как отношение ЭДС к току возбуждения.

Опытным путем характеристику холостого хода снимают при постоянной номинальной частоте вращения при изменении If и разомкнутой обмотке якоря (/" = 0). При исследовании характеристики холостого хода сначала строят восходящую ветвь, а затем при уменьшении /у — нисходящую. При расчетах используется средняя кривая. Гистерезис в синхронных машинах имеет место из-за того, что ротор не перемагничивается и по стали ротора замыкается постоянный поток возбуждения.

Внешними характеристиками синхронного генератора называются зависимости U = f (I_a) при п = const, cos.

If = const.

На рис. 4.26 показаны внешние характеристики синхронного генератора в относительных единицах при чисто активной R, индуктивной L и емкостной С нагрузках. При актив;

Рис. 4.25. Характеристика холостого хода синхронного генератора.

Рис. 4.26. Внешние характеристики синхронных генераторов ной нагрузке при увеличении тока нагрузки 1_а напряжение на выходе генератора уменьшается вследствие падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины z_a = r_a+ jx_aa и влияния поперечной реакции якоря. При индуктивной нагрузке за счет более сильного размагничивающего действия продольной реакции якоря внешняя характеристика при чисто индуктивной нагрузке идет ниже внешней характеристики при активной нагрузке. При емкостной нагрузке реакция якоря подмагничивающая, поэтому с ростом нагрузки растет напряжение на выводах генератора.

В процентном отношении внутреннее сопротивление машины по отношению к сопротивлению нагрузки обычно составляет небольшое значение, поэтому можно реакцию якоря при активной нагрузке считать без учета индуктивного сопротивления рассеяния обмотки якоря. В машинах небольшой мощности поперечная реакция якоря (чисто активный ток) будет при наличии в нагрузке небольшой емкости, компенсирующей индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря машины.

Номинальным изменением напряжения синхронного генератора ДU_HOM называется изменение напряжения при изменении нагрузки от нуля до номинальной при неизменном токе возбуждения (рис. 4.27).

Как правило, генераторы работают при отстающем токе с cos ф = 0,8. Д U обычно равно 20—30%, ДU_H0M тем больше, чем больше х^. Значения Д (7_Н0М не лимитированы.

Регулировочная характеристика — это зависимость тока возбуждения от тока якоря // = /(/") при постоянном напряжении, постоянной частоте вращения и неизменном cos ф.

нагрузки. Регулировочные характеристики показывают, как нужно изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы напряжение на выводах генератора оставалось постоянным (рис. 4.28).

Рис. 4.27. К определению Д1/_1|ом

Регулировочные характеристики могут быть построены, если известны внешние характеристики. При увеличении нагрузки при индуктивной нагрузке напряжение уменьшается (см. рис. 4.26). Чтобы напряжение оставалось неизменным, надо увеличивать ток возбуждения. При емкостной нагрузке при увеличении тока в якоре машины напряжение на выводах генератора растет (см. рис. 4.26). Чтобы оно оставалось неизменным, надо уменьшать ток возбуждения (см. рис. 4.28).

Рис. 4.28. Регулировочные характеристики синхронных генераторов.

Так же, как и внешние характеристики, регулировочные характеристики при небольших нагрузках линейны. При нафузках, близких к номинальному значению, из-за насыщения регулировочные характеристики становятся нелинейными (см. рис. 4.28).

При работе синхронного генератора на емкостную нагрузку магнитное поле в машине создается током возбуждения и реактивными токами, протекающими в якоре. При небольших зазорах в синхронной машине, работающей на емкостную нафузку, может наступить самовозбуждение, когда при отключенной обмотке возбуждения {If= 0) на выводах генератора появится напряжение. Это явление называется самовозбуждением синхронной машины. Более подробно явление самовозбуждения рассмотрено в параграфе 4.13.

Рис. 4.29. Характеристика короткого замыкания.

Одной из важных характеристик синхронной машины является характеристика короткого замыкания — зависимость тока якоря от тока возбуждения /_к = f{Ij) при симметричном коротком замыкании на выводах якоря при номинальной частоте вращения (рис. 4.29).

Зависимость тока короткого замыкания от тока возбуждения снимается при закороченной амперметрами обмотке якоря при постепенном повышении тока возбуждения от нуля до значения /_к, примерно равного номинальному значению. Эта зависимость линейная, так как генератор не насыщен (работает при размагничивающей реакции якоря). Индуктивный характер тока при коротком замыкании определяется индуктивным сопротивлением обмотки якоря, которое значительно больше активного сопротивления обмотки (в относительных единицах R = 0,01-^0,001, ах^ = 1,0−5-2,5).

Ток короткого замыкания может быть определен как.

где Е₀ — ЭДС, соответствующая току возбуждения /у₀, которая определяется по спрямленной характеристике холостого хода.

Пренебрегая активным сопротивлением, ток короткого замыкания можно определить как.

В относительных единицах ток короткого замыкания обратно пропорционален х₍. Таким образом, можно по характеристике холостого хода и характеристике короткого замыкания определить опытным путем Хд.

Важное значение имеет кратность тока короткого замыкания при напряжении холостого хода, равном номинальному (рис. 4.30),.

и при номинальном токе возбуждения, при котором ток короткого замыкания равен 1_{К ном},.

Рис. 430. К определению кратности тока короткого замыкания Отношение тока короткого замыкания к номинальному току в относительных единицах при токе возбуждения 7/-₀, при котором Eq = U_Hом, называется отношением короткого замыкания (ОКЗ) и для ненасыщенной явнополюсной машины.

Если ОКЗ определяют по насыщенной характеристике холостого хода, то.

Отношение короткого замыкания, так же как и х₍/, определяет перегрузочную способность синхронной машины. Чем больше ОКЗ, тем больше предельная нагрузка; ОКЗ тем больше, чем больше воздушных зазор, т. е. при той же мощности меньше концентрация энергии магнитного поля. Такие машины требуют больших вложений материалов, что увеличивает их стоимость. У турбогенераторов ОКЗ = = 0,44−1,0, а гидрогенераторов 0,84−1,8.

Нагрузочная характеристика — это зависимость напряжения на генераторе от тока возбуждения U = /(//) при постоянных токе якоря, cos <�р нагрузки и частоте вращения (рис. 4.31). При изменении напряжения ток в якоре поддерживается неизменным путем регулирования сопротивления нагрузки. Нагрузочные характеристики снимают только при индуктивной нагрузке. Поэтому и называют зависимость (/ = /(//) при cos (p = const индукционной нагрузочной характеристикой.

Индукционная нагрузочная характеристика является вспомогательной характеристикой и используется для определения индуктивного сопротивления рассеяния. Для этого необходимо иметь характеристику холостого хода XXX и индукционную нагрузочную характеристику, снятые опытным путем (рис. 4.32). Имея эти характеристики, мож;

Рис. 4.31. Нагрузочная характеристика.

Рис. 4.32. К построению реактивного треугольника.

но построить реактивный треугольник АВС. В треугольнике АВС катет АВ равен падению напряжения в сопротивлении рассеяния якоря 1"х_ап, а горизонтальный катет ВС равен МДС реакции якоря в масштабе тока возбуждения, в котором построены характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика (см. рис. 4.32).

Реактивный треугольник показывает, что уменьшение напряжения при снятии нагрузочной характеристики происходит вследствие падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния х_аа (катет АВ) и размагничивающего действия реакции якоря (катет ВС).

Если известны катеты реактивного треугольника, то по характеристике холостого хода XXX можно построить нагрузочную характеристику, передвигая реактивный треугольник параллельно самому себе (треугольник АВС). Если имеются снятые опытным путем XXX и нагрузочная характеристика, можно определить х_са, зная продольную реакции якоря (катет ВС в масштабе тока возбуждения). Приближенно катеты реактивного треугольника определяются по спрямленной XXX так, как это показано на рис. 4.32.

Рассмотренные характеристики дают возможность судить об основных электромагнитных показателях машины. Однако о КПД и распределении тепловых полей по ним судить нельзя.

Определение потерь в синхронных машинах осуществляется так же, как и в асинхронных машинах, с учетом того, что в обмотке ротора синхронной машины протекает постоянный ток. К добавочным потерям относят поверхностные потери в роторе. Основные потери в меди включают потери в обмотке якоря и обмотке возбуждения. Потери в обмотке возбуждения считают с учетом потерь в возбудителе:

где ЛСД_ц — переходное падение напряжения в щеточном кон такте (Д[/_щ ~ 1 В). Если возбуждение бесконтактное, эта составляющая потерь отсутствует; гр — КПД возбудителя (11/= 0,8⁰, 85).

Сопротивление обмотки возбуждения определяют без учета вытеснения тока по формуле (1.115) и приводят к расчетной температуре 75 °C.

Особенности расчета механических и добавочных потерь для различных типов синхронных машин рассматриваются в курсах проектирования синхронных машин [11]. Коэффициент полезного действия генератора.

где ХД — сумма потерь:

здесь Р_л] — электрические потери в обмотке якоря; Р (— электрические потери в обмотке возбуждения; Р_ст — потери в стали; Р_мех — механические потери; Р_мов — поверхностные потери; Р_доб — добавочные потери.

Характеристика р = /(Р_ном) аналогична показанной на рис. 1.87. Для крупных синхронных машин КПД достигает 98−99%.