Регулировочные характеристики

Устройство и принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя.

Статор 1 СМ выполнен так же как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником пост. тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. При вращении ротора с частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой f₁=pn₂/60.

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток I_a создает ВМП, частота вращения которого n₁=60f₁/p.

Следует, что n₁=n₂, т.е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_РЕЗ синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В СМ обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения – индуктором. Следовательно, статор является якорем, а ротор –индуктором.

СМ может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электроэнергию, т.е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, ВМП. В результате взаимодействия этого поля с током, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме –тормозным. Поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения n₁=n₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Т.о., для установившихся режимов работы СМ характерны следующие особенности:

а) ротор машины, вращается с постоянной частотой, равной частоте ВМП, т.е. n₁=n₂;

б) частота изменения ЭДС Е, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора

в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индуцируется; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.

 

 

Характеристики синхронного генератора.

Внешние характеристики

Зависимости напряжения U от тока нагрузки I_а при неизменных токе возбуждения I_В, угле φ и частоте f₁ (постоянной частоте вращения ротора n₂) называют внешними характеристиками генератора. Их можно построить с помощью векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке I_{а ном} генератор имеет номинальное напряжение U_НОМ, что достигается путем соответствующего выбора тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора становится равным ЭДС холостого хода E₀. Следовательно, векторная диаграмма построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз φ между U и I_a, т.к. в зависимости от этого изменяется вектор Е₀ (при заданном значении U=U_НОМ).

На рис. 6.27 показаны упрощенные ВД генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а), активно-индуктивной (б) и активно-емкостной (в) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках ЭДС Е₀>U; при активно-емкостной нагрузке ЭДС Е₀<U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем – увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а при активной и активно-индуктивной нагрузках – продольная размагничивающая составляющая (при чисто активной нагрузке угол ψ>0).

На рис. 6.28,а изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значений U_НОМ, а на рис. 6.28,б – при одинаковом значении U₀=E₀. При U=0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока I_К.

 

Регулировочные характеристики

Зависимости тока возбуждения I_В от тока нагрузки I_а при неизменных напряжении U, угле φ и частоте f₁ называют регулировочными характеристиками (рис. 6.29). Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что с возрастанием нагрузки при φ>0 необходимо увеличивать ток возбуждения, а при φ<0 – уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

 

Рабочие характеристики (рис 6.47)

 

Они представляют собой зависимости тока I_а, электрической мощности Р₁, поступающей в обмотку якоря, КПД η и cosφ от отдаваемой механической мощности Р₂ при U_C=const, f_C=const и I_В=const. Часто эти характеристики строят в относительных единицах. Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n₂=f(P₂) обычно не приводится; не приводится также и зависимость M=f(P₂), т.к. вращающий момент М пропорционален Р₂. Зависимость P₁=f(P₂) имеет характер, близкий к линейному.

 

Ток двигателя (I_а) при холостом ходе является практичеки реактивным. По мере роста нагрузки возрастает активная составляющая тока, в связи с чем зависимость I_а от мощности Р₂ является нелинейной. Кривая η=f(P₂) имеет характер, общий для всех электрических машин. СД могут работать при cosφ=1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cosφ_ном=0,9…0,8. В этом случае улучшается суммарный cosφ сети, от которой питаются СД, т.к. создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока I_а компенсирует отстающую реактивную составляющую тока АД. Зависимость cosφ=f(P₂) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р₂>Р_НОМ. При снижении Р₂ значение cosφ уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.