Синхронный генератор
Синхронный генератор
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; cos=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; cos=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 , 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 cos.КПД СГ зависит не только от мощности нагрузки, но и от коэффициента мощности cos.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 = . 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;
- угловая частота тока;
p - число пар полюсов СГ.
,
.
Зависимость Pэм() или Mэм() - называется угловыми характеристиками СГ.
- характеризует устойчивость СГ.
; .
Положительное значение соответствует генераторному режиму.
При =const увеличение тока возбуждения Iв СГ приводит к возрастанию электромагнитной мощности Pэм.
Если угол 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 .
Если > 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 1. После увеличения подачи пара ротор ускорился, и угол возрос, т.к. увеличился момент приводного двигателя.
Когда угол возрос, то увеличился тормозной момент и при определенном угле 2 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 .
3 Устойчивость синхронного генератораОт нас зависит, где мы будем работать, при каком угле . При малом угле мала мощность P; если 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;а - проводимость воздушного зазора.Значит надо увеличить зазор между статором и ротором. При этом уменьшатся и а 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 СГПри параллельной работе на одну линию включается несколько генераторов.
Включение СГ в сеть
Для безаварийного включения СГ в сеть необходимо, чтобы:
1) 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.
2) Частота СГ равнялась частоте сети. Регулировать при этом нужно скорость вращения СГ.
3) Чередование фаз СГ и сети соответствовали друг другу. Иначе возникнет КЗ.
4) 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 . 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 cos=const, т.е. активный ток остается постоянным, а появляется реактивный ток, который влияет на cos сети (при изменении Iв).Если у СГ cos=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 .Современные СГ работают с перевозбуждением. ном >0.В этом случае СГ обеспечивает приемники сети (асинхронные двигатели, трансформаторы и др.) необходимой энергией индуктивного характера.