Краткое описание лабораторной установки.
Исследуемый синхронный генератор (на рисунке 8.1 – СГ) и его приводной двигатель М размещены в одном корпусе. В отличие от синхронных машин нормального исполнения этот генератор имеет так называемую "обращенную" конструкцию, когда обмотка возбуждения ОВСГ намотана на полюсах, расположенных на статоре, а трехфазная якорная обмотка находится на роторе. Выходное напряжение синхронного генератора снимается при этом со щеток.
Схема управления приводным двигателем собрана, автоматизированный пуск и остановка осуществляются с помощью соответствующих кнопок управления, расположенных на щите установки, поэтому на электрической схеме лабораторной установки (рис. 8.1) показаны только линейный и пусковой контакторы – К1 и К2 соответственно. Для регулирования частоты вращения приводного двигателя, а, следовательно, и частоты вращения синхронного генератора, используется реостат RРМ, рукоятка которого расположена на щите слева.
Регулирование напряжения синхронного генератора при неизменной частоте вращения его ротора производится изменением его тока возбуждения. Для этой цели служит реостат RРГ, рукоятка которого находится на щите справа. Включается цепь возбуждения автоматическим выключателем FQ1, расположенным над рукояткой реостата RРГ.
На верхней панели щита лабораторной установки имеются вольтметр V1, частотомер Н, амперметр А1, на нижней панели – амперметр А2, включенный в цепь возбуждения ОВСГ. Подключение приборов показано на рисунке 8.1.
На верхней панели щита расположены, также, выводы для подключения к синхронному генератору активной и емкостной нагрузок и выключатели для ее ступенчатого регулирования.
В качестве индуктивной нагрузки используются обмотки трехфазного автотрансформатора, расположенного на щите лабораторной работы "Исследование трехфазного трансформатора" (рис. 8.1). Обмотка статора синхронного генератора подключается к выходу автотрансформатора, а автоматический выключатель QF2, соединяющий его с сетью, должен быть выключен. Обмотки автотрансформатора представляют собой наименьшую нагрузку для синхронного генератора (обладают наибольшим сопротивлением) когда маховик регулятора повернут в крайнее правое положение. Увеличение нагрузки производится плавным вращением маховика против часовой стрелки.
Пояснения к лабораторной работе.
Испытания, проводимые в лабораторной работе, позволяют определить все индуктивные сопротивления явнополюсного синхронного генератора, используя которые можно анализировать его работу в различных установившихся режимах и строить соответствующие векторные диаграммы электрического состояния обмотки статора. Для построения векторной диаграммы первого вида (диаграммы Блонделя) нужно кроме активного сопротивления фазы обмотки статора ra (эта величина равна 3,5Ом) знать продольное и поперечное индуктивные сопротивления хad и хaq и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора хsа.
Для построения векторных диаграмм второго вида используют величины продольного и поперечного синхронных индуктивных сопротивлений:
| (8.1) |
Кроме индуктивных сопротивлений при выполнении лабораторной работы находится приближенной значение МДС продольной реакции якоря, приведенной к МДС обмотки возбуждения Fad'. Эта МДС необходима для построения так называемой совмещенной диаграммы Потье, часто используемой в расчетной инженерной практике для определения номинального изменения напряжения синхронного генератора. Величина DUн также должна быть найдена при выполнении работы.
И еще один параметр, который удается определить по результатам, полученным в лабораторной работе, - это отношение короткого замыкания (ОКЗ или Кокз), косвенно характеризующее габариты синхронного генератора, его перегрузочную способность и стабильность поддержания напряжения на зажимах при изменении нагрузки.
Для того чтобы найти продольное синхронное индуктивное сопротивление xd, предварительно снимаются характеристики холостого хода (х.х.х.) и короткого замыкания (х.к.з.). Методика построения характеристик подробно описана в литературе и в принципе не отличается от методики построения такого рода характеристик генератора постоянного тока.
Уравнение электрического состояния статорной обмотки явнополюсного синхронного генератора может быть записано так:
 ,
| (8.2) |
где 
и 
- в общем случае ортогональные проекции вектора 
, создающие, в соответствии с методом двух реакций, продольную и поперечную составляющие МДС реакции якоря (рис. 8.2).
При коротком замыкании напряжение на выходных зажимах равно нулю, следовательно, уравнение (8.2) можно упростить:
 .
| (8.3) |
В режиме короткого замыкания ток якоря ограничивается сопротивлением статорной обмотки, которое имеет преимущественно индуктивный характер. При индуктивном характере тока якоря (речь идет о фазовом сдвиге вектора тока относительно вектора ЭДС) вектор тока якоря направлен по продольной оси: 
, а поперечная составляющая тока равна нулю, то есть
 .
| (8.4) |
Как уже было отмечено, активной составляющей сопротивления якорной обмотки синхронного генератора можно пренебречь, то есть, в режиме короткого замыкания имеет место уравнение баланса напряжений:
 .
| (8.5) |
Это значит, что продольное индуктивное сопротивление якорной обмотки может быть вычислено по формуле:
 ,
| (8.6) |
где Е – действующее значение ЭДС, наводимой в якорной обмотке потоком обмотки возбуждения, I – действующее значение тока, текущего в закороченной якорной обмотке под действием наведенной ЭДС Е.
Измерение тока якорной обмотки не представляет труда. Измерить ЭДС генератора в режиме короткого замыкания невозможно, но можно считать ее значение с графика характеристики холостого хода. Таким образом, данные для использования формулы (8.6) получают в результате совместного использовании двух характеристик – холостого хода и короткого замыкания. Для этого их изображают в совмещенных координатах – рисунок 8.3.
Для любого значения тока возбуждения по характеристике короткого замыкания определяют ток якорной обмотки, а по характеристике холостого хода – ЭДС, наведенную в якорной обмотке индуктором. Из рисунка 8.3 видно, что, если бы железо машины не насыщалось, то есть начальный прямой участок х.х.х. продолжался и далее, в обмотке якоря была бы наведена ЭДС Е¥. В действительности, из-за насыщения магнитной цепи, наведенная в обмотке ЭДС равна Е0. От использования в формуле (8.6) того или иного значения ЭДС будет зависеть получаемое значение продольного синхронного индуктивного сопротивления; ненасыщенное
 ,
| (8.6.а) |
или насыщенное
 .
| (8.6.б) |
Если значения ЭДС и тока, подставляемые в формулу (8.6), выражены в относительных единицах, то и сопротивление хd получается в этих же единицах.
Отношением короткого замыкания называется отношение установившегося тока короткого замыкания Iк0 при таком токе возбуждения, который при холостом ходе и номинальной частоте вращения дает 
, к номинальному току якоря:
 .
| (8.7) |
Если хd – насыщенное значение продольного синхронного сопротивления, определенное по (8.6.б) для , ток короткого замыкания может быть выражен как
 .
| (8.8) |
После подстановки (8.8) в (8.7) будет получено:
 .
| (8.9) |
У синхронных неявнополюсных машин типа турбогенераторов 
, у синхронных явнополюсных машин типа дизель-генераторов и гидрогенераторов 
.
Для построения векторных диаграмм синхронного генератора и их дальнейшего использования необходимо выделить из хd индуктивное сопротивление рассеяния якорной обмотки хsа.
Если известно приведенное к обмотке возбуждения значение МДС продольной реакции якоря Fad', сопротивление хsа может быть легко найдено по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания. Разделив сопротивление хd на составляющие хd и хsа, можно переписать формулу (8.5) в следующем виде:
 .
| (8.10) |
На рисунке 8.4.а изображена векторная диаграмма напряжений якорной цепи в режиме короткого замыкания, которая свидетельствует о том, что падения напряжения, составляющие ЭДС Е, в этом режиме складываются арифметически:
 .
| (8.11) |
 |
Режим короткого замыкания характеризуется тем, что обмотка возбуждения создает МДС Ff0 (точка А на рисунке 8.4.б), эта МДС наводит в якорной обмотке ЭДС Е, в результате чего в якорной цепи течет ток I, но напряжение на зажимах якоря остается равно нулю. Чтобы ответить на вопрос, на что оказалась потрачена наведенная ЭДС, следует обратиться к реактивному треугольнику АВС. Объяснение может быть следующим.
Протекающий в якорной обмотке ток создает размагничивающую МДС реакции якоря Fad', которая уменьшает эквивалентную МДС до значения Fs (точка С на рисунке 8.4.б). МДС реакции якоря, приводится к масштабу МДС обмотки возбуждения с помощью коэффициента приведения продольного тока якоря kid:
| (8.12) |
Уменьшению МДС соответствует снижение ЭДС на величину хad×I до значения Еs (точка В на рисунке 8.4.б). Эта ЭДС полностью расходуется на падение напряжения в индуктивном сопротивлении рассеяния якорной обмотки хsа×I. Таким образом, реактивный треугольник АВС содержит информацию о внутренних потерях напряжения при чисто индуктивной нагрузке (режим КЗ) и токе якоря I. При ином значении тока катеты реактивного треугольника должны быть изменены пропорционально изменению тока.
Таким образом, зная приведенное значение МДС реакции якоря (значение, выраженное в масштабе МДС обмотки возбуждения), индуктивное сопротивление рассеяния якорной обмотки определяют по следующей методике:
а) по характеристике короткого замыкания находят МДС обмотки возбуждения Ff0, обеспечивающую заданный ток короткого замыкания I;
б) вычисляют результирующую МДС
 ,
| (8.13) |
учитывая, что при коротком замыкании МДС реакции якоря направлена навстречу МДС обмотки возбуждения;
в) для полученного значения МДС по характеристике холостого хода находят соответствующую величину ЭДС Еs;
г) зная I и Еs, находят хsа:
 ,
| (8.14) |
Если приведенное к обмотке возбуждения значение МДС реакции якоря заранее неизвестно, для определения индуктивного сопротивления рассеяния якорной обмотки необходимо построить индукционную нагрузочную характеристику – зависимость напряжения на клеммах якорной обмотки от тока возбуждения, снятую при неизменном токе якоря и cosy=0 (инд.). Большое практическое значение этой характеристики заключается в том, что взаимное расположение векторов падений напряжения по сравнению с режимом короткого замыкания принципиально не изменяется, и составляющие ЭДС якорной обмотки, как и в режиме КЗ, складываются арифметически. На рисунке 8.5 это проиллюстрировано: кроме двух падений напряжения, существовавших в режиме короткого замыкания, появилось напряжение U, но баланс напряжений имеет простой вид:
 .
| (8.15) |
 |
Эта особенность индукционной характеристики и используется для определения хsа.
Обычно индукционная характеристика снимается при номинальном токе якоря, и, если реактивный треугольник (рис. 8.4.б) был построен также для номинального тока, она выходит из точки А этого треугольника (рис. 8.5.б). На рисунке 8.5.б показано, что любая точка этой характеристики может быть получена с помощью характеристики холостого хода и реактивного треугольника. МДС обмотки возбуждения Ff0 наводит в якорной обмотке ЭДС Е, размагничивающее действие реакции якоря проявляется в том, что МДС Fad' уменьшает результирующую МДС до значения Fd, которому соответствует ЭДС Еd. Напряжение на выходных зажимах якорной обмотки отличается от этой ЭДС на падение напряжения в индуктивном сопротивлении рассеяния хsа×I. Если перемещать реактивный треугольник параллельно самому себе так, чтобы точка В скользила по характеристике холостого хода, точка А опишет индукционную нагрузочную характеристику, соответствующую тому значению тока якоря, для которого был построен треугольник (сплошная линия на рисунке 8.5.б).
 |
Имея две характеристики – холостого хода и нагрузочную индукционную, можно решить обратную задачу: построить реактивный треугольник и найти из него хsа и Fad'. На рисунке 8.6 показано, что сторона ОВ треугольника ОАВ совпадает с характеристикой холостого хода в начальной ее части. Значит, при наличии начального участка характеристики холостого хода оказывается известен ÐСОВ. Координата точки А получена в опыте короткого замыкания, следовательно, сторона ОА треугольника ОАВ также оказывается известна. Имея эти данные, из любой точки на индукционной характеристике, например, А', откладывают горизонтальный отрезок, длиной |ОА|, и из его левого конца под углом СОВ проводят луч до пересечения с характеристикой холостого хода. Из точки пересечения В' опускают перпендикуляр к горизонтальному отрезку и получают третью точку С' реактивного треугольника. Отрезок А'C' есть приведенная к обмотке возбуждения МДС продольной реакции якоря:
 .
| (8.16) |
смысл отрезка В'С' требует пояснения.
На рисунках 8.5.б и 8.6 показано, что индукционная характеристика, полученная опытным путем (пунктирная линия), отклоняется вправо от характеристики, полученной с использованием характеристики холостого хода и треугольника АВС, тем больше, чем больше напряжение. Это происходит из-за того, что при значительных токах возбуждения увеличивается местное насыщение ярма и полюсов индуктора и для получения напряжения U ток возбуждения должен быть увеличен до if' по сравнению с теоретически (с помощью треугольника АВС) получаемым значением if''. Из-за смещения нагрузочной характеристики, при использовании описанной методики построения реактивного треугольника катет В'С' оказывается больше катета ВС, а индуктивное сопротивление рассеяния, определяемое как отношение 
, - больше, чем вычисляемое по формуле 
. Получаемая фиктивная величина
| (8.17) |
называется индуктивным сопротивлением Потье, а реактивный треугольник, построенный с учетом насыщения индуктора, – треугольником Потье. Фиктивность сопротивления Потье заключается в том, что индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря остается неизменным независимо от насыщения индуктора. В то же время, для получения более точных данных при расчете требуемого возбуждения генератора, связанная с описанными причинами потеря напряжения должна быть учтена.
Индуктивное сопротивление Потье, определенное при Uн , может быть использовано для расчета индуктивного сопротивления рассеяния якоря явнополюсного генератора:
 ,
| (8.18) |
и неявнополюсного генератора:
 .
| (8.19) |
Для определения синхронного поперечного индуктивного сопротивления xq, в соответствии с ГОСТ 10169-77, используется метод скольжения, заключающийся в следующем. На статор невозбужденной синхронной машины через амперметр подается небольшое трехфазное симметричное напряжение (0,02¸0,15 от номинального значения), что вызывает небольшие токи в якорной обмотке, и, как следствие, появление магнитного поля, вращающегося с синхронной скоростью. При этом ротор машины должен приводиться во вращение приводным двигателем со скоростью, близкой к синхронной (скольжение не более 0,01). Направление вращения магнитного поля и ротора должны совпадать.
 |
В момент, когда ось полюсов индуктора занимает относительно оси вращающегося магнитного поля поперечное положение (рис. 8.7.а), магнитное сопротивление потоку будет максимальным, а индуктивное сопротивление, соответственно, минимальным, то есть, равным xq. Ток статора в этот момент по закону Ома максимален (Imax). И наоборот, при совпадении осей индуктора и вращающегося магнитного поля (рис. 8.7.б) индуктивное сопротивление обмотки максимально, то есть равно xd, а ток статора минимален (Imin).
Если источник пониженного напряжения имеет ограниченную мощность, его напряжение несколько колеблется при колебании тока нагрузки, снижаясь до минимума при максимальном токе и достигая максимума при минимальном токе. С помощью замеренных величин находят насыщенные значения синхронных индуктивных сопротивлений
| (8.20) |
измеренные в Омах, если величины U и I именованные, или в относительных единицах, если эти величины предварительно также переведены в относительные единицы.
В том случае, если исследуемый генератор имеет относительно большое остаточное напряжение, ГОСТ предлагает находить наименьший ток по формуле
 ,
| (8.21) |
где Imin1 и Imin2 – два соседних по времени минимума.
Если ненасыщенное значение xd, определенное методом скольжения, оказывается близким к значению, полученному более точным способом, через опыты холостого хода и короткого замыкания, то можно считать, что полученная величина ненасыщенного значения xq близка к истинной. Насыщенное значение xq находится более сложным способом, не нашедшим отражения в ГОСТе. Ориентировочно можно считать, что в номинальном режиме насыщенное значение xq снижается по сравнению с ненасыщенным значением в 1,2 – 1,6 раза.
Под изменением напряжения синхронного генератора DUн понимают такое изменение напряжения на зажимах якорной обмотки, которое происходит при изменении нагрузки от номинального значения до нуля при неизменном токе возбуждения.В соответствии с ГОСТ 10169-77 расчет этой величины производится с помощью совмещенной диаграммы Потье. Этот способ справедлив для неявнополюсных машин, у которых 
, но применим и к явнополюсным, так как точность расчета в этом случае остается вполне удовлетворительной.
На рисунке 8.8 изображена векторная диаграмма Потье для неявнополюсного синхронного генератора. Ее можно прочитать следующим образом: МДС индуктора Ff наводит в обмотке якоря ЭДС Е0; из-за наличия активно-индуктивного (по отношению к Е0) якорного тока I и обусловленной им МДС реакции якоря Fad' результирующая МДС снижается до Fd, а ЭДС – до Еd; выходное напряжение генератора отличается от этой ЭДС на два падения напряжения - хр×I и rа×I. Если 
снизить токовую нагрузку генератора до нуля, в соответствии с этой диаграммой выходное напряжение генератора возрастет до Е0. Следует обратить внимание на то, что угол между векторами результирующей МДС Fd и вектором Fad' равен 
. Этот факт будет использован при построении совмещенной диаграммы Потье.
Для определения номинального изменения напряжения придерживаются следующей методики:
 |
1) по оси ординат откладывают вектор
=1о.е., под углом j к нему в любом масштабе вектор 
, используя полученные в предыдущих опытах ra* и хр*, достраивают вектор ЭДС
 ;
| (8.22) |
2) переносят длину полученного вектора ЭДС на ось ординат;
3) используя характеристику холостого хода, находят соответствующую величину МДС Fd*;
4) к отрезку Fd* под углом 
пристраивают отрезок Fad'* и получают МДС обмотки возбуждения Ff, требуемую для обеспечения при данном токе нагрузки номинального выходного напряжения генератора;
5) переносят длину полученного вектора МДС на ось абсцисс;
6) для значения МДС обмотки возбуждения по характеристике холостого хода находят ЭДС синхронного генератора на холостом ходе после сброса нагрузки, а затем – номинальное изменение напряжения
 .
| (8.23) |