1 Характеристики генератора

О свойствах синхронного генератора (СГ) судят по его характеристикам:

1. Характеристика холостого хода: E(Iв) при I=0 и при n= nном.

При Iв=0 остаточным магнитным потоком наводится небольшая ЭДС Eх.

При (т.к. ).

Наступает насыщение магнитопровода – излом кривой. Точка (Uном, Iв ном) расположена до насыщения – так проектируют СГ.

2. Внешняя характеристика: U(I) при Iв = Iв ном; cosj=const; n= nном.

При I =0 U= U0.

С ростом тока I при активной нагрузке напряжение U падает.

Изменение напряжения происходит в основном из-за реакции якоря. Если нагрузка активная, то поток изменяется незначительно.

При активно-индуктивной нагрузке реакция якоря – продольно-размагничивающая. Поток изменяется значительно, что приводит к сильному изменению напряжения.

При активно-емкостной нагрузке реакция якоря будет продольно-намагничивающая, поток будет возрастать, что приводит к небольшому увеличению напряжения.

Стабилизация напряжения достигается регулированием тока возбуждения.

3. Регулировочная характеристика: Iв (I) при U =const; cosj=const; n= nном. U= Uном.

Эта характеристика показывает, как надо регулировать ток возбуждения при изменении нагрузки СГ, чтобы напряжение на его зажимах оставалось неизменным (искусственная характеристика).

Обычно регулировка напряжения, для того, чтобы U =const оставалось неизменным при изменении нагрузки I, осуществляется автоматически по схеме, где ТТ – трансформатор тока; Т – понижающий трансформатор.

Принцип регулирования:

При увеличении нагрузки I напряжение U падает (по внешней характеристике), но при этом ток Iу возрастает, что приводит к увеличению тока возбудителя Iв и к увеличению магнитного потока F, ЭДС и напряжения U.

2 Потери и КПД синхронного генератора

В СГ преобразование механической энергии в электрическую сопровождается потерями энергии. К синхронному генератору со стороны вала подведена механическая мощность P1.

В роторе и статоре имеются следующие потери:

1) потери на возбуждение; Rв – сопротивление цепи возбуждения.

2) - механические потери, вызванные всеми видами трения;

3) - потери магнитные в сердечнике статора (перемагничивание и вихревые токи);

,

(3 в формуле т.к. 3 фазы). Эта электромагнитная мощность передается на статор.

4) - потери в обмотке статора: .

P2 – полезная мощность, отдаваемая в сеть.

Потери , , - постоянные (не зависят от нагрузки) и составляют потери холостого хода ХХ синхронного генератора.

,

где - сумма всех потерь в СГ.

.

Из этой формулы следует, что КПД зависит от cosj.

КПД СГ зависит не только от мощности нагрузки, но и от коэффициента мощности cosj.

КПД СГ достигает 98-99 %.

Для этих генераторов применяют охлаждение газообразным водородом, водой и др.

Регулирование активной мощности. Угловые характеристики

Электромагнитная мощность равна

.

Но из подобия треугольников расставляем углы на векторной диаграмме. Катет bd равен:

.

ac ^ E0, bc ^ I, значит угол bca = Y. Отсюда:

.

Подставляем это значение в формулу (*) получаем:

При неизменном токе возбуждения Iв =const.

СГ включен в сеть и обеспечивает U=Uсети=const.

Момент

, где . Но

Поэтому

. ,

где - угловая скорость вращения СГ;

w - угловая частота тока;

p – число пар полюсов СГ.

,

.

Зависимость Pэм(q) или Mэм(q) – называется угловыми характеристиками СГ.

q - характеризует устойчивость СГ.

; .

Положительное значение q соответствует генераторному режиму.

При q=const увеличение тока возбуждения Iв СГ приводит к возрастанию электромагнитной мощности Pэм.

Если угол q отрицательный – это соответствует режиму работы синхронной машины в двигательном режиме.

В режиме генератора Mэм противодействует вращению ротора, т.е. является тормозным.

В режиме генератора поле ротора ведущее, а поле статора – ведомое. В режиме двигателя – наоборот.

При увеличении момента силовые линии все больше деформируются (растягиваются), растет угол q.

Если q > 90°, то силовые линии рвутся, магнитная сила между ротором и статором нарушается, ротор вращается как болванка, т.к. он ничего не вращает. Это явление называется выпаданием из синхронизма.

При - синхронный генератор работает устойчиво.

Изменение мощности параллельно работающего с сетью СГ достигается воздействием на первичный приводной двигатель.

Пусть СГ работал при угле q1. После увеличения подачи пара ротор ускорился, и угол q возрос, т.к. увеличился момент приводного двигателя.

Когда угол q возрос, то увеличился тормозной момент и при определенном угле q2 снова наступит равновесие моментов при новой мощности. Значит мы увеличили мощность.

При чрезмерном увеличении момента приводного двигателя тормозной момент не достигнет такой большой величины, т.е. они не уравновесятся и СГ выпадет из синхронизма.

- синхронизирующая мощность. Она показывает, насколько устойчив СГ при данном угле q.

3 Устойчивость синхронного генератора

От нас зависит, где мы будем работать, при каком угле q. При малом угле q мала мощность P; если q большой, то мы можем перегрузить СГ и он выпадет из синхронизма. Выбирают .

- статическая перегрузочная способность СГ.

Так как

, то или .

Обычно .

Таким образом, для того, чтобы повысить статическая перегрузочная способность Кс надо повысить максимальную мощность Pmax. А для этого нужно уменьшить Xc.

Но индуктивное сопротивление ,

где w – число витков обмотки;

lа – проводимость воздушного зазора.

Значит надо увеличить зазор между статором и ротором. При этом уменьшатся и lа и индуктивное сопротивление Xc.

Именно поэтому в синхронных генераторах выполняется большой зазор – для повышения устойчивости, т.е. для увеличения перегрузочной способности.

При очень большом воздушном зазоре – возрастают габариты СГ и нужно много ампер-витков на роторе (большая МДС).

Можно поднять Pmax форсировкой. Eфор вызывается током Iв – так повышается динамическая устойчивость генератора.

4 Параллельная работа СГ

При параллельной работе на одну линию включается несколько генераторов.

Включение СГ в сеть

Для безаварийного включения СГ в сеть необходимо, чтобы:

ЭДС, вырабатываемая СГ равнялась напряжению сети, и в момент включения находилась в противофазе к этому напряжению. В противном случае возникнет уравнительный ток.

Регулировка ЭДС E производится током возбуждения.

Частота СГ равнялась частоте сети. Регулировать при этом нужно скорость вращения СГ.

Чередование фаз СГ и сети соответствовали друг другу. Иначе возникнет КЗ.

Форма ЭДС СГ и форма напряжения сети были одинаковыми – синусоидальными.

Регулирование активной мощности мы уже рассматривали .

Любое изменение активной мощности при неизменной ЭДС E0 возможно при изменении угла q. Регулируется первичным приводным двигателем.

Чтобы осуществить перевод части нагрузки с одного СГ на другой, следует уменьшить вращающийся момент первичного двигателя СГ и увеличить момент для второго. Тогда после перераспределения генераторы будут работать с постоянной частотой. Иначе изменится частота вращения всех агрегатов, напряжение и частота тока в сети.

Регулирование реактивной мощности СГ

После выполнения условий синхронизации синхронный генератор работает в режиме ХХ. Воспользуемся уравнением

.

Так как , то , отсюда

. (*)

У нас мощность постоянна P=const.

Но , а ток возбуждения меняется Iв – var.

Поскольку U=const, меняем ток возбуждения. При этом меняется ЭДС (см. зависимость E(Iв)).

Небаланс между ЭДС E0 и напряжением U в формуле (*) должен погаситься за счет тока I. Но так как U и P постоянны, то должно быть постоянно произведение I cosj=const, т.е. активный ток остается постоянным, а появляется реактивный ток, который влияет на cosj сети (при изменении Iв).

Если у СГ cosj=1, то генератор нормально возбужден. При изменении тока возбуждения Iв потечет реактивный ток.

P1<P2<P3.

Это семейство U-образных характеристик при различных мощностях.

При изменении тока возбуждения Iв потечет уравнительный индуктивный или емкостной ток.

Это семейство U-образных характеристик СГ. Они показывают зависимость тока СГ от тока возбуждения при постоянной мощности, а значит и угле q.

Современные СГ работают с перевозбуждением.

jном >0.

В этом случае СГ обеспечивает приемники сети (асинхронные двигатели, трансформаторы и др.) необходимой энергией индуктивного характера.