Синхронный генератор

1 Характеристики генератора

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

1. Характеристика холостого хода: E(I_в) при I=0 и при n= n_ном.

При I_в=0 остаточным магнитным потоком наводится небольшая ЭДС E_х.

При (т.к. ).

Наступает насыщение магнитопровода – излом кривой. Точка (U_ном, I_{в ном}) расположена до насыщения – так проектируют СГ.

2. Внешняя характеристика: U(I) при I_в = I_{в ном}; cos=const; n= n_ном.

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: I_в (I) при U =const; cos=const; n= n_ном. U= U_ном.

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 I_у возрастает, что приводит к увеличению тока возбудителя I_в 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; R_в – 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 I_в =const.

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

Момент

, где . Но

Поэтому

. ,

где - угловая скорость вращения СГ;

 - угловая частота тока;

p – число пар полюсов СГ.

,

.

Зависимость P_эм() или M_эм() – называется угловыми характеристиками СГ.

 - характеризует устойчивость СГ.

; .

Положительное значение  соответствует генераторному режиму.

При =const увеличение тока возбуждения I_в СГ приводит к возрастанию электромагнитной мощности P_эм.

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

В режиме генератора M_эм 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 генератора

От 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 К_с надо повысить максимальную мощность P_max. А для этого нужно уменьшить X_c.

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 X_c.

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 P_max форсировкой. E_фор вызывается током I_в – 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:

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 I_в – var.

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

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 I_в).

Если у СГ cos=1, то генератор нормально возбужден. При изменении тока возбуждения I_в потечет реактивный ток.

P₁<P₂<P₃.

Это семейство U-образных характеристик при различных мощностях.

При изменении тока возбуждения I_в 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.