Синхронные машины

     Вследствие  указанной магнитной и электрической несимметрии, строго говоря, вместо единой успокоительной обмотки необходимо рассматривать каждый контур тока на рис. 1а или 2а как отдельную обмотку или отдельную цепь тока.

     Для каждого такого контура по отдельности  можно составить уравнение напряжения или второе уравнение Кирхгофа, причем эти уравнения будут независимы друг от друга, а сопротивления и индуктивности каждого контура различны. В уточненной теории переходных процессов и других особых режимов действие успокоительной обмотки учитывается именно так. Однако для большинства практических целей задачу можно упростить и рассматривать по каждой оси одну эквивалентную успокоительную обмотку, с эквивалентными токами I_уд, I_yq и эквивалентными параметрами. Можно считать, что такие эквивалентные обмотки представляют собой коротко-замкнутые витки с полным шагом (рис. 3).

Рис 3.

     Активные  сопротивления и индуктивности L_yd, L_yq эквивалентных успокоительных обмоток по разным осям различны.

     Токи  и параметры успокоительных обмоток также можно привести к обмотке якоря. При этом взаимная индуктивность с обмоткой якоря для продольной оси будет равна L_ad, а для поперечной оси L_aq. Полные приведенные собственные индуктивности успокоительной обмотки будут:

           

      

   где — приведенные индуктивности рассеяния успокоительной обмотки соответственно для продольной и поперечной осей. Очевидно,  что  

      .

  Вместо  полной успокоительной обмотки иногда применяют также неполную успокоительную обмотку (рис. 4),

Рис 4.

которая не имеет междуполюсных соединений. Отсутствие междуполюсных соединений не влияет на величину и распределение токов,а также на величину параметров успокоительной обмотки по продольной оси. Однако действие такой обмотки по поперечной оси значительно ослабляется, так как активное сопротивление r_yd и индуктивность рассеяния увеличиваются, а ток эквивалентной обмотки , уменьшается. Поэтому неполные успокоительные обмотки            применяются редко.

     Отметим, что в каждом реальном стержне  успокоительной обмотки протекает ток, равный сумме продольного и поперечного токов стержня, и ввиду разных направлений этих токов суммарные токи стержней, расположенных симметрично относительно центра полюсного наконечника, различны.

     Неявнополюсные  синхронные машины имеют массивный  ротор, обычно лишены специальной успокоительной обмотки, и роль последней играет само тело ротора. Это же справедливо для явнополюсных машин с массивными полюсами. Действие массивного ротора и массивных полюсов также можно заменить действием эквивалентных успокоительных обмоток.

     Для неявнополюсной машины, имеющей цилиндрический ротор, параметры таких обмоток для обеих осей можно принять одинаковым. Строго говоря, это же справедливо и для обычных успокоительных и пусковых обмоток, так как сечение стержней этих обмоток достаточно велико.

     Некоторое действие оказывают также вихревые токи, индуктируемые при изменении Ф_ad Ф_aq в элементах магнитной цепи ротора явнополюсной машины, имеющей полюсы из листовой стали. Это эквивалентно наличию некоторой дополнительной успокоительной обмотки. Однако этот эффект мал и обычно не учитывается.

     Следует отметить также, что приведенная взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и успокоительной больше, а рассеяние между ними меньше, чем между этими двумя обмотками и обмоткой якоря. Это обусловлено тем, что указанные две обмотки расположены на индукторе поблизости и неподвижны относительно друг друга. Ввиду последнего обстоятельства взаимная индуктивность обмоток возбуждения и успокоительной обусловлена также высшими гармониками их полей в воздушном зазоре. То же самое характерно и для двухклеточного асинхронного двигателя, в котором взаимная индуктивность между обмотками ротора также больше, чем между обмотками ротора и обмоткой статора. Однако в синхронных машинах этим обстоятельством часто пренебрегают.

     Необходимо  также подчеркнуть, что взаимная индукция между поперечной успокоительной обмоткой и обмоткой возбуждения отсутствует.

ХАРАКТЕРИСТИКИ  СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

Характеристика  холостого хода

 

     (х.  х. х.) определяет зависимость U = f (i_f) при I = 0 и f = f_н Очевидно, что в режиме холостого хода U = Е. Если х. х. х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах, полагая,

            ,  

 

Рис 1. 

     где - ток холостого хода при U=U_н, то эти х .х. х. будут мало отличаться друг от друга. Поэтому при расчетах различных режимов работы энергетических систем, в которых работает много генераторов, для упрощения расчетов принимается, что х. х. х. всех турбогенераторов, а также х. х. х. всех гидрогенераторов, выраженные в относительных единицах, одинаковы и соответствуют некоторым средним данным реальных характеристик генераторов (рис. 1).

     Такие х. х. х. называются нормальными. Нормальные ненасыщенные х. х. х. показаны на рис. штриховыми линиями.

Характеристика  короткого замыкания

 

     (х.  к. з.) снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки якоря накоротко (симметричное короткое замыкание) и определяет зависимость I = f (i_f) при U = 0 и f =fн.

     Если  пренебречь весьма незначительным активным сопротивлением якоря, то сопротивление цепи якоря в режиме короткого замыкания будет чисто индуктивным. Поэтому = 90°, Iq = 0, Id = 1 и

           

     Уравнению соответствует схема замещения  рис. 1, а и векторная диаграмма рис. 1, б.

Рис 1. 

      При коротком замыкании реакция якоря является чисто размагничивающей, э. д. с. Е , от результирующего потока воздушного зазора, равная

            

Опытное определение

 

  Опытные х. х. х. и х. к. з. (рис.1) позволяют определить опытное значение продольного синхронного сопротивления x_d.  

 

     Обычно  находят ненасыщенное значение этого сопротивления , которое в отличие от насыщенного значения x_d для каждой машины вполне определенное. Чтобы определить , для какого-либо значения тока возбуждения, например i_f = ОА (рис. 1), по спрямленной ненасыщенной х. х. х. 3 находят и по х. к. з. 2 — ток I, после чего вычисляют

           

     Если   и I выражены в относительных единицах, то и получается в этих же единицах.  

           

     будет определять насыщенное значение х_д при таком насыщении магнитной цепи, которое соответствует данному значению Е. Кривая 4 (рис.) представляет собой насыщенные значения x_d = f(i_f).

Отношение короткого замыкания (о. к. з.).

 

     Отношением  короткого замыкания k_о.к.з. согласно ГОСТ 183—66, называется отношение установившегося тока короткого замыкания I_k0 при токе возбуждения, который при холостом ходе и п = n_н дает Е =U_н, к номинальному току якоря I_н

Рис 1. 

            

      В соответствии с рис. 1

            

      где x_d — насыщенное значение продольного синхронного сопротивления

            

      Величина  о. к. з., как и величина х_d, определяет предельную величину нагрузки, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы, причем, чем больше о. к. з., тем больше предельная нагрузка.

     Поэтому о. к. з. является важным параметром синхронных машин.

В соответствии с изложенным величина о. к. з. тем  больше, чем больше величина зазора между статором и ротором. Поэтому машины с большим о. к. з. дороже.

Внешняя характеристика

 

     Внешняя характеристика определяет зависимость  U = f (/) при i_f = const. cos = const, f = /„ и показывает, как изменяется напряжение машины U при изменении величины нагрузки и неизменном токе возбуждения. Внешняя характеристика снимается следующим образом: при i_f = const посредством изменения момента или мощности приводного двигателя изменяют ступенями активную мощность генератора Р и при каждом значении Р с помощью регулируемого трансформатора РТ изменяют U на зажимах генератора так, что достигается необходимое значение cos .

      Вид внешних характеристик при разных характерах нагрузки показан на рис. 1, причем предполагается, что в каждом случае величина тока возбуждения отрегулирована так, что при I=I_н„ также U = U_н. Отметим, что величина I_f при номинальной нагрузке называется номинальным током возбуждения. {Вид внешних характеристик синхронного генератора объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис. 1) существует значительная продольная размагничивающая реакция якоря), которая растет с увеличением тока нагрузки I, и поэтому U с увеличением I уменьшается. При чисто активной нагрузке (кривая 2 на рис. 1) также имеется продольная размагничивающая реакция якоря, но угол   между Е и I меньше, чем в предыдущем случае, поэтому продольная размагничивающая реакция якоря слабее и уменьшение U с увеличением I происходит медленнее.

      При опережающем токе (кривая 3 на рис. 1) возникает продольная 
 

Рис 1.а

намагничивающая реакция якоря и поэтому с увеличением I напряжение U растет. Следует отметить, что значения i_f для трех характеристик различны и наибольшее i_f соответствует характеристике 1.

Номинальное изменение напряжения синхронного генератора

 
 

      — это изменение напряжения на зажимах генератора (при его работе отдельно от других генераторов) при изменении нагрузки от номинального значения до нуля и при неизменном токе возбуждения.

      Синхронные  генераторы обычно рассчитываются для  работы с номинальной нагрузкой  при отстающем токе и cos = 0,8. Согласно кривой 1 на рис. 1,а при этом > 0. Величина действующими ГОСТ не регламентируется. Обычно

            

      Величина  у турбогенераторов больше, чем у гидрогенераторов, так как у первых x_d больше. 

Регулировочная  характеристика

 

      Регулировочная  характеристика определяет зависимость  i_f =f (I) при U = const, cos = const и / = const и показывает, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизменным. Эта характеристика снимается следующим образом: изменяется ступенями активная мощность Р и при каждом значении Р величина i_f регулируется так, что достигается cos = const. Ввиду изменения внутреннего падения напряжения в РТ одновременно с регулировкой i_f приходится также несколько регулировать напряжение РТ, чтобы поддержать U=const. Вид регулировочных характеристик показан на рис. 1,

 

Рис 1. 

     причем  предполагается, что для всех изображенных там характеристик величина U одинакова.

     Вид регулировочных характеристик также  объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис.1) продольная реакция якоря является размагничивающей и для компенсации ее влияния на величины Ф и U с увеличением I необходимо значительно увеличивать ток возбуждения i_f. При чисто активной нагрузке (кривая 2) размагничивающая продольная реакция якоря слабее и требуется меньшее увеличение i_f. При опережающем токе (кривая 3) продольная реакция якоря стремится увеличивать Ф и U, вследствие чего для сохранения U = const необходимо с увеличением / уменьшать i_f.