Краткие теоретические сведения. Синхронные машины используются в качестве генераторов, электродвигателей, синхронных компенсаторов

Синхронные машины используются в качестве генераторов, электродвигателей, синхронных компенсаторов. Синхронные генераторы находят применение на электростанциях (гидрогенераторы, турбогенераторы), в установках, требующих автономного источника электроэнергии.

Устройство синхронных генераторов заключается в следующем: неподвижная часть машины, называемая статором, состоит из стального или чугунного корпуса, в котором закреплен цилиндрический сердечник статора. Сердечник статора набирают из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи. В его пазах укладывается трехфазная обмотка, выполняемая так же, как и обмотка статора у асинхронного электродвигателя. Сердечник статора и обмотка статора называются якорем. В подшипниковых щитах расположены подшипники, несущий вал вращающей части машины, называемой ротором или индуктором. На валу расположен сердечник ротора, выполняемый из сплошной стали. В пазах сердечника ротора укладывается обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Для присоединения обмотки возбуждения к внешней электрической цепи, на валу укрепляют два изолированных друг от друга контактных кольца, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки. Обмотка возбуждения служит для возбуждения основного магнитного поля машины. Питание обмотки возбуждения осуществляется от генератора постоянного тока (возбудителя), вал которого соединен с валом синхронного генератора. Синхронные генераторы, как источники переменного тока, классифицируются по числу фаз, частоте, напряжению и по виду приводного электродвигателя. Наибольшее распространение получили трехфазные синхронные генераторы промышленной частоты (50 Гц) на повышенном напряжении до 12 кВ. Частота f₁, ЭДС переменного тока зависит от частоты вращения ротора n₁ и числа пар полюсов р:

.

Роторы иииимтсинхронных генераторов при многополюсной системе возбуждения выполняются с явно выраженными полюсами, при двухполюсной системе - с неявно выраженными полюсами.

 

 

Рис. 5.1.9 Электромагнитная схема трехфазного синхронного генератора

 

 

В синхронных генераторах стремятся получить синусоидальную форму выходного напряжения. Для этой цели в явно выраженных полюсных системах создают неравномерный воздушный зазор, а в неявнополюсных системах распределяют проводники обмотки возбуждения по пазам.

Действующее значение ЭДС фазы якорной обмотки синхронного генератора при синусоидальной форме ЭДС, индуцируемой в проводниках:

Е = 4, 44·f·w·k_об·Ф_о,

где w – число витков фазы якорной обмотки;

k_об – обмоточный коэффициент.

При включении обмотки якоря на нагрузку, в проводниках обмотки появится ток. В синхронном генераторе токи якоря (статора) создают магнитное поле Ф_а, вращающееся относительно статора и неподвижное, относительно поля возбуждения основного потока (ротора) Ф_о (рис. 5.1.10).

Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет осуществляться только при активной нагрузке (рис. 5.1.10, а). При индуктивной нагрузке – ток отстает по фазе от ЭДС на угол π /2 (рис. 5.1.10, б), и реакция якоря

будет размагничивающая, то есть результирующее поле ослабляется. В случае с ёмкостной нагрузкой – ток опережает ЭДС на угол π /2

(рис. 5.1.10, в), реакция якоря становится подмагничивающая, результирующее поле усиливается.

Рис. 5.1.10 Принцип действия и реакция якоря синхронного генератора

 

Уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора с учетом поля рассеяния якоря Ф_σ имеет вид:

,

где - ЭДС холостого хода;

; - ЭДС самоиндукции обмотки якоря основного поля якоря и поля рассеяния.

; ,

х_син = х_а + х_σ – полное индуктивное сопротивление синхронной машины.

Упрощенное уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора:

,

В синхронных генераторах используется, в основном, независимое возбуждение, а вид внешней характеристики определяется характером нагрузки (рис. 5.1.11).

Рис. 5.1.11 Внешняя характеристика синхронного генератора

 

Электромагнитный момент М:

,

где р – число пар полюсов;

ω – угловая частота.

Электромагнитная мощности Р_эм:

,

где (рис. 5.1.12).

Рис. 5.1.12 Схема замещения синхронного генератора (а) векторная диаграмма (б)

 

Активную мощность, отдаваемую генератором в сеть, можно регулировать только изменением момента первичного электродвигателя, то есть воздействием на устройства энергоносителя.

Реактивную мощность, отдаваемую в сеть, регулируют изменением тока возбуждения.

 

Методика проведения опыта

1. Собрать схему по рис. 5.1.13.

Паспортные данные синхронного генератора следующие:

Тип Г 502 А; Р_max = 375 Вт; U_ном = 14 В; n_ном = 1200 об/мин;

I_воз.max = 1, 1 А; соединение фаз – «звезда»; R_возб. = 7 Ом.

Для вращения генератора следует использовать асинхронный электродвигатель М₁ (схема включения обмоток статора – «треугольник»).

2.При отключенной нагрузке, роль которой выполняет ШИП (шпротно-импульсный преобразователь), регулируя ток возбуждения резистором R₂, снимается характеристика холостого хода E₀ = f(I_в), которую следует построить.

3. При номинальном токе возбуждения снимается и строится внешняя характеристика генератора U = f(I).

4. Результаты эксперимента заносятся в таблицу 5.1.7.

 

 

Рис. 5.1.13 Схема опыта синхронного генератора

 

Таблица 5.1.7

E0, В
Iв, А
U, В
I, А

 

Характеристика холостого хода E₀ = f(I_в) не отличается от характеристики холостого хода генератора постоянного тока (лаб. раб. № 12) и определяется при тех же условиях, то есть при I = 0 и n = const.