Регулировочные характеристики генератора

Регулировочные характеристики определяют зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на зажимах генератора и постоянной величине коэффициента мощности. Они показывают, как должен изменяться ток возбуждения для поддержания постоянным напряжения на зажимах генератора при изменении тока нагрузки при , , .

Регулировочная характеристика показывает, каким образом необходимо изменять ток возбуждения для поддерживания неизменным напряжения на зажимах генератора.

Рис. 7.30

При индуктивной нагрузке (кривая 1, рис. 7.30) для поддерживания напряжения неизменным необходимо увеличить ток возбуждения, так как реакция якоря имеет размагничивающее действие. В случае емкостного характера нагрузки (кривая 3, рис. 7.30) реакция якоря имеет намагничивающий характер, и ток возбуждения необходимо снижать при увеличении тока нагрузки для поддержания неизменным выходного напряжения. Поэтому имеется серия регулировочных характеристик для различных значений коэффициента мощности (см. рис. 7.30).

7.8. Включение в сеть трехфазных генераторов
или параллельная работа генераторов
переменного тока

При эксплуатации трехфазных генераторов для проведения профилактических работ или ремонта возникает необходимость отключения генератора от сети и последующая его постановка под нагрузку. Нагрузку предназначенного к отключению генератора берут на себя другие генераторы, поэтому практически всегда синхронные генераторы электростанций большой мощности работают в параллельном режиме не только с генераторами собственной электростанции, но и с генераторами других электростанций, объединенных в единую энергетическую систему. В этом случае мощность сети энергетической системы многократно превышает мощность отдельного генератора, поэтому можно считать, что напряжение и частота сети являются величинами постоянными, не зависящими от отдельно взятого генератора.

При отключении генератора от сети, равно как и при его подключении к сети, необходимо избежать скачкообразного изменения тока генератора, так как это может привести к нарушению изоляции, механическим ударам и выходу из строя самого генератора.

При отключении генератора сначала уменьшают до нуля механический момент приводного механизма, затем током возбуждения снижают ток генератора до минимального значения и потом отключают генератор от сети.

Включение генератора в сеть возможно при выполнении следующих условий:

1) электродвижущая сила генератора должна быть равной напряжению сети;

2) частота напряжения генератора должна быть практически равной частоте сети;

3) порядок следования фаз генератора и сети должен быть одинаковым;

4) для исключения броска тока в момент подключения генератора к сети начальные фазы фазных напряжений должны быть равными.

Процесс подготовки подключения генератора в сеть и само подключение называют синхронизацией.

Для контроля выполнения указанных условий используются синхроскопы. На первом этапе синхронизации используют ламповые синхроскопы, состоящие из трех ламп, номинальное напряжение которых в два раза больше фазного напряжения сети.

С помощью ламповых синхроскопов возможен контроль порядка следования фаз и частоты генератора. Выполнение первого требования равенства ЭДС генератора напряжению сети с помощью ламп проконтролировать трудно из-за того, что световое видимое излучение они обеспечивают при напряжении, равном 0, 2…0, 3 номинального. Поэтому для этого используются вольтметры. На схеме показано подключение вольтметра .

Лампы синхроскопа могут быть включены «на потухание» или на «круговой огонь».

Если лампы синхроскопа включены «на потухание» (рис. 7.31) при правильном порядке следования фаз напряжение на зажимах каждой лампы может быть определено из векторной диаграммы (рис. 7.32).

Рис. 7.31

Рис. 7.32

 

Векторы фазных напряжений сети вращаются на комплексной плоскости с частотой . Векторы фазных ЭДС генератора вращаются с частотой ; Если , то действующее значение напряжения на лампе «а» синхроскопа будет изменяться по закону .

Если частота генератора будет равна частоте сети и их начальные фазы будут равны, напряжение на лампе «а» будет равно нулю.

При совпадении порядка следования фаз напряжение на двух других лампах будет тоже равно нулю, и все три лампы погаснут.

Рис. 7.33

При несовпадении порядка следования фаз генератора и сети векторная диаграмма напряжений сети и ЭДС генератора будет выглядеть так, как это представлено на рис. 7.33.

Даже при равенстве частот генератора и сети, равенстве ЭДС генератора фазным напряжениям сети и равенстве начальных фаз и напряжение на лампе будет равно нулю, а напряжения на двух других лампах будут равны линейным напряжениям, и они будут гореть ярко. Если частота генератора в этом случае будет меньше частоты сети, то с течением времени напряжение
на лампе «а» и «b» будет увеличиваться, а на лампе «с» уменьшаться. В определенный момент времени лампа «с» погаснет,
а лампы «а» и «b» будут гореть ярко. В последующем погаснет лампа «b» и т. д.

Рис. 7.34

При расположении ламп на окружности
(рис. 7.34) при из-за последовательного погасания ламп a-c-b-a-c-b… создается впечатление огня, вращающегося против часовой стрелки. При этом частота вращения огня будет равна разности частот сети и генератора. Аналогично можно показать, что при частоте генератора большей частоты сети, направление вращения огня изменится на противоположное, т. е. вращение будет по часовой стрелке.

Таким образом, при включении ламп «на потухание» «вращающийся огонь» указывает на несовпадение порядка следования фаз сети и генератора. В этом случае необходимо поменять провода любых двух фаз генератора и провести синхронизацию снова.

Генератор можно подключить к сети только в том случае, если все лампы погасли, а вольтметр в лучшем случае показывает нулевое напряжение между клеммами сети и генератора.

Включение ламп «на потухание» не дает возможности определить соотношение частоты сети и генератора. Этим недостатком не обладает схема включения ламп «на круговой огонь» (рис. 7.35).

 

Рис. 7.35

 

В этой схеме две лампы подключены к зажимам различных фаз. В этом случае вращение огня против часовой стрелки указывает на то, что частота генератора меньше частоты сети. Это дает возможность изменять частоту вращения приводного механизма генератора в нужном направлении для получения равенства частот.

При включении ламп синхронизатора на «круговой огонь» подключение генератора к сети возможно в следующих случаях:

а) огонь не вращается (одна из ламп не горит);

б) вольтметр показывает нулевое напряжение.

7.9. Угловые характеристики синхронных
генераторов

Электрическая мощность синхронной машины определяется ее электрическими параметрами.

Активная составляющая мощности

,

где и – фазное напряжение и фазный ток,

– количество фаз машины.

Механический момент на валу синхронного генератора или синхронного двигателя выражается через активную мощность и частоту вращения вала машины. В режиме идеального холостого хода ось симметрии магнитного поля машины совпадает с геометрической осью симметрии полюсов индуктора. При увеличении развиваемой мощности синхронной машины ось магнитного полюса якоря смещается в пространстве относительно оси полюса индуктора на некоторый угол. В двухполюсной машине этот угол будет практически совпадать с фазовым сдвигом между ЭДС холостого хода и приложенным напряжением . В многополюсной машине пространственный угол смещения равен отношению к количеству пар полюсов машины .

Зависимость мощности машины и механического момента от угла называют угловыми характеристиками синхронной машины. Установим эту зависимость.

Рис. 7.36

Рассмотрим векторную диаграмму синхронного генератора с неявно выраженными полюсами. Учитывая то, что в реальных машинах активное сопротивление обмотки статора меньше синхронного сопротивления, пренебрежем этим активным сопротивлением. Упрощенная векторная диаграмма генератора приведена на рис. 7.36.
На векторной диаграмме и отрезок есть проекция вектора на направление вектора напряжения , т. е. . Тогда .
С другой стороны, угол равен , так как и прямоугольные и . В треугольнике катет или . Таким образом, . В ра-нее записанной формуле . или .

При параллельной работе генератора с сетью и при неизменном токе возбуждения напряжение и ЭДС являются величинами постоянными. Следовательно, мощность и угол связаны между собой синусоидальной зависимостью. При постоянной частоте вращения механический момент пропорционален мощнос-
ти . Следовательно, .

Рис. 7.37

В случае генераторов с явно выраженными полюсами магнитное сопротивление машины на единицу длины воздушного зазора зависит от положения точки в зазоре относительно полюсов индуктора. Используя теорию двух реакций и понятия продольной и поперечной составляющих реакции якоря, можно построить векторную диаграмму генератора с явно выраженными полюсами (рис. 7.37). Продольное и поперечное сопротивления не равны между собой.

Активная мощность генератора

Здесь есть проекция вектора на направление вектора ,
и является проекцией вектора тока на направление, перпендикулярное вектору . Тогда и , следовательно,

; .

Подставляя и в формулу мощности, получаем:

или .

Электромагнитный момент на валу генератора в этом случае для двухполюсной машины

.

Зависимость электромагнитного момента и электромагнитной мощности от пространственного угла называется угловыми харак­теристиками. Общий вид угловых характеристик синхронных машин с явно выраженными и неявно выраженными полюсами представлен на рис. 7.38.

 

Рис. 7.38

 

Так как электромагнитный момент пропорционален мощности, поэтому на графике представлены угловые характеристики моментов неявнополюсной машины (рис. 7.38, кривая а) и явнополюсной машины (рис. 7.38, кривая б).

Если зависимость неявнополюсной машины практически синусоидальна, то угловая характеристика явнополюсной машины от­личается от синусоидальной зависимости из-за влияния второй сла­гаемой формулы соответствующей теоретической характеристики.

В области отрицательных значений пространственного угла электромагнитный момент имеет отрицательное значение. Это соответствует работе синхронной машины в режиме двигателя, т. е. преобразователя электрической энергии в механическую энергию.

7.10. Мощность синхронизации
и момент синхронизации

Способность синхронной машины оставаться в синхронизме с сетью называется стабильностью. Машина стабильна, если производная электромагнитного момента по пространственному углу будет положительной .

Это значит, что положительному приращению угла должно соответствовать положительное приращение момента и отрицательному приращению угла соответствовать отрицательное приращение момента. Производную электромагнитного момента
по углу называют синхронизирующим моментом

,

а производная мощности по углу называется синхронизирующей мощностью

.

Синхронизирующий момент уменьшается с увеличением угла и равен нулю при . Статическая стабильность машины ограничена максимальным электромагнитным моментом

.

В нормальных условиях синхронная машина работает далеко от предела статической стабильности. Это объясняется тем фактом, что пока угол становится больше 40 °, синхронизирующий момент быстро уменьшается, это говорит о том, что большому изменению угла соответствует только малое увеличение мощности.
В большинстве случаев у синхронных машин угол при номинальной нагрузке не превосходит 20–30 °.