РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ

Если синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхоло­стую, то тока в обмотках статора нет. Магнитный поток полюсов, созданный током возбуждения, индуктирует в трехфазной обмотке статора э. д. с.

При нагрузке генератора в обмотке статора протекает ток. При симметричной нагрузке токи в фазах обмотки статора равны и сдвинуты на 1/3 периода. Токи статора создают вращающееся маг­нитное поле, скорость вращения которого

т. е. магнитное поле, созданное токами в обмотке статора, вращает­ся синхронно с магнитным полем полюсов.

В обмотке статора синхронного генератора создается э.д. с, величина которой зависит от магнитного потока полюсов. Если магнитный поток полюсов очень мал, то и э.д. с также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и э. д. с. машины. Таким образом, при постоянной скорости вращения ротора э.д.с. пропор­циональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения. Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнит­ный поток полюсов, что вызовет увеличение э. д. с. машины. Следо­вательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соот­ветствующее изменение э. д. с. машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.

Если синхронный генератор не нагружен (работает вхолостую), то тока в обмотках статора нет и напряжение на зажимах генера­тора равно э.д.с, индуктированной в обмотке статора.

При нагрузке генератора ток в обмотке статора не равен нулю и, следовательно, напряжение на зажимах генератора не равно э.д. с, так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения. Кроме того, токи, проте­кающие по обмоткам статора', создают поток реакции якоря, кото­рый воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнит­ный поток не будет равен магнитному потоку полюсов при холостой Работе генератора. Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в статоре генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.

На рис. 128 изображены внешние характеристики синхронного генератора при активной и реактивной нагрузках. Эти характеристики показывают зависимость напряжения на зажимах генерал тора от тока нагрузки при неизменных скорости вращения ротора и токе возбуждения. Различный вид этих характеристик при активной, индуктивной и емкостной нагрузках объясняется не одинаковым воздействием поля реакции якоря на магнитный поток полюсов.

Любой приемник электрической энергии требует постоянства напряжения сети. Чтобы обеспечить постоянное напряжение сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе, изменяют и ток возбуждения.

Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изме­нить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось неиз­менным, называется регулировочной характеристикой (рис. 129), При активной нагрузке увеличение тока в статоре вызывает незна­чительное понижение напряжения, так как реакция якоря незначи­тельно уменьшает магнитный поток. При этой нагрузке требуется незначительно увеличить ток возбуждения для обеспечения по­стоянства напряжения. При индуктивной нагрузке создается про­дольное размагничивающее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Поэтому, чтобы создать постоянство напряжения (т. е. для постоянства результирующего магнитного потока), необ­ходимо более значительно увеличить ток возбуждения для компен­сации размагничивающего поля реакции якоря. При емкостной нагрузке происходит усиление магнитного поля и для постоянства напряжения необходимо уменьшить ток возбуждения при увеличе­нии тока в статоре.

Наиболее часто синхронные генераторы работают на общую мощную сеть электростанции или энергосистемы. Напряжение такой сети Uc частота тока в ней неизменны. Напряжение на зажи­мах генератора равно и противоположно напряжению сети Uг= —Uс.

Результирующее магнитное поле Ф_Р статора, вращающееся с числом оборотов в пространстве, опережает напряжение Uг на 90° (рис. 130).

При неизменном напряжении сети U_С амплитуда магнитного потока Фр результирующего магнитного поля ста­тора также неизменна. При активной нагрузке генератора ток статора сов­падает по фазе с напряжением Uг. По­ток реакции якоря Фя совпадает по фазе с током I, так что вектор тока в статоре I в другом масштабе определит вектор Фя. Результирующий магнит­ный поток создается действием потока полюсов Ф т и потока реакции якоря Фя и может быть представлен геометриче­ской суммой этих магнитных потоков.

Изменение тока возбуждения гене­ратора не вызывает изменения его активной мощности, так как мощность, потребляемая им от первичного двигателя, остается неизменной (вращающий момент первичного двигателя и скорость вращения постоянны). Поэтому актив­ная составляющая тока статора постоянна и конец вектора I (Фя) находится на прямой АВ, параллельной горизонтальной оси. Если увеличить ток возбуждения, то увеличится поток полюсов Ф' т, вектор которого находится между прямой АВ и концом неиз­менного вектора Фр.

В этом случае изменится как по величине, так и по направле­нию вектор I ' и Ф'я, т. е. ток окажется отстающим по фазе от на­пряжения генератора.

При уменьшении тока возбуждения уменьшится также и потом полюсов Ф"т, что приведет к изменению тока в статоре I"(Ф"я) как по величине, так и по фазе. Таким образом, изменение тока возбуждения генератора, работающего на мощную сеть, вызывает изменение реактивной составляющей тока в статоре, т. е. изменяем реактивную мощность, вырабатываемую генератором.

Для изменения активной мощности необходимо изменить вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора. Под действием вращающего момента первичного двигателя М1 ротор машины с помещенными на ней полюсами приводится во вращение с числом оборотов в минуту n. Результирующее поле статора вращается в том же направлении с числом оборотов n1 =n (рис. 131, а). Следовательно, поле полюсов и результирующее поле статора вращаются синхронно, оставаясь неподвижными друг относительно друга, и между этими полями устанавливается взаимодействие. Магнитные линии, растягиваясь стремятся приблизить поле ротора к полю статора, создавая электромагнитный тормозной момент Мэ, уравновешивающий момент первичного двигателя.

При равновесии момент М1=М_Э угол между осями магнитных полей в остается неизменным.

Если увеличить момент первичного двигателя М'₁ (рис. 131, б), то он окажется больше тормозного, и ротор, получив некоторое ускорение, начнет перемещаться относительно поля статора, вращающегося с постоянной скоростью (частота тока сети постоянна). При этом угол между осями магнитных полей ротора и статора 61 увеличится, и магнитные линии, растягиваясь в боль­шей степени, увеличат тормозной электромагнитный момент М'э так, что вновь восстановится равновесие моментов, т. е. М1 = Мэ. Для включения генератора в сеть необходимо:

1) одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;

2) равенство напряжения сети и э. д. с. генератора;

3) равенство частот э. д. с. генератора и тока сети;

4) включать генератор в тот момент, когда э.д.с. генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.

Невыполнение этих условий ведет к тому, что в момент вклю­чения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и опасными для генератора. При включении генерато­ров в сеть используют специальные устройства — синхроноскопы. Простейшим синхроноскопом являются три лампы накаливания, включаемые между зажимами генератора и сети. Лампы должны быть рассчитаны на двойное напряжение сети и до включения гене­ратора будут одновременно загораться и погасать.

В момент, когда э.д. с. генератора равна и направлена встреч­но напряжению сети, лампы погаснут, так как напряжение на лам­пе равно нулю. При погасании ламп замыканием рубильника ге­нератор включается в сеть.

До включения генератора в сеть э.д.с. его измеряется вольт­метром и регулированием тока возбуждения устанавливается рав­ной напряжению сети. Частота э.д.с. генератора регулируется из­менением скорости вращения первичного двигателя.

Сердечники роторов с неявно выраженными полюсами обычно изготовляют из цельных поковок, на поверхности которых фрезе­руются пазы. После укладки обмоток возбуждения на роторе пазы

его забиваются клиньями, а лобовые соединения обмотки возбуж­дения укрепляются стальными бандажами, помещенными на тор­цовых частях ротора. При такой конструкции ротора допускаются большие окружные скорости (до 180—200 м/сек).

Для генераторов с неявно выраженными полюсами первичными двигателями обычно являются паровые турбины, принадлежащие к числу быстроходных машин. Поэтому синхронные генераторы с неявно выраженными полюсами называются турбогенераторами.

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктив­ных отличий от синхронного генератора. Так же как и в генера­торе, на статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого

На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включае­мая в сеть источника постоянного тока. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, полу­ченное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Основным достоинством синхронных двигателей является воз­можность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает соз j всего предприятия, компенсируя реактивную мощность других приемников энергии.

Так же как и в генераторах, в синхронных двигателях измене­ние реактивной мощности, т. е. изменение соs j, достигается регу­лированием тока возбуждения. При некотором токе возбуждения, соответствующем нормальному возбуждению, соsj=1. Уменьше­ние тока возбуждения вызывает появление отстающего (индуктив­ного) тока в статоре, а при увеличении тока возбуждения (пере­возбужденный двигатель) — опережающего (емкостного) тока в статоре.

Достоинством синхронных двигателей является также меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент про­порционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асин­хронных— квадрату напряжения.

Вращающий момент синхронного двигателя создается в резуль­тате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный Поток поля статора.

Синхронные двигатели выполняют преимущественно с явно Сраженными полюсами, и работают они в нормальном режиме при опережающем соs j=0,8. Возбуждение синхронные двигатели получают либо от возбудителя, либо от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включе­нием его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен, и следовательно, взаимодействия магнитных полей статора и ротора нет, т. е. двигатель не развивает вращающего момента. Поэтому для пуска в ход двигателя необхо­димо предварительно увеличить число оборотов ротора его до син­хронной скорости или близкой к ней.

В настоящее время исключительное применение имеет так на­зываемый асинхронный пуск синхронных двигателей, сущность ко­торого заключается в следующем. В полюсных наконечниках ро­тора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, вы­полненная в виде беличьего колеса, наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронной машины.

Обмотка статора двигателя включается в трехфазную сеть, и пуск его производится так же, как и пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

После того как двигатель разовьет скорость, близкую к син­хронной (примерно 95%), обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока и двигатель входит в синхронизм, т. е. скорость ротора увеличивается до синхронной.

При пуске в ход двигателя обмотка возбуждения замыкается на сопротивление, примерно в 10—12 раз большее сопротивления самой обмотки. Нельзя обмотку возбуждения при пуске в ход оста­вить разомкнутой или замкнуть накоротко. Если при пуске в ход обмотка возбуждения окажется разомкнутой, то в ней будет индук­тироваться очень большая э. д. с, опасная как для изоляции обмот­ки, так и для обслуживающего персонала. Создание э. д. с. боль­шой величины объясняется тем, что при пуске в ход поле статора вращается с большой скоростью относительно неподвижного рото­ра и с большой скоростью пересекает проводники обмотки возбуж­дения, имеющей большое число витков.

Если обмотку возбуждения замкнуть накоротко при пуске в ход, то двигатель при пуске под нагрузкой может развить скорость, близкую к половине синхронной, и войти в синхронизм не смо­жет.

Работа синхронной машины с потреблением из сети опере­жающего тока дает возможность использовать ее в качестве ком­пенсатора. Как выше было отмечено, синхронный двигатель для сети может являться конденсатором и повышать соs j всей энер­гоустановки, компенсируя реактивную мощность других приемни­ков энергии.

Повышение соs j снижает потребление реактивной мощности электроустановок предприятия и уменьшает стоимость электро­энергии.

Компенсатором является синхронный двигатель, работающий без нагрузки и предназначенный для повышения соs j предприятия. Таким образом, компенсатор является генератором реактив­ной мощности.

Конструктивно компенсатор отличается от синхронного двига­теля незначительно. Компенсатор не несет механической нагрузки, поэтому его вал и ротор легче, а воздушный зазор меньше, чем у двигателя.

Основным недостатком синхронных двигателей является по­требность в источнике как переменного, так и постоянного тока.

Потребность в источнике постоянного тока для питания обмот­ки возбуждения синхронного двигателя делает его крайне неэко­номичным при небольших мощностях. Поэтому при малых мощно­стях синхронные двигатели с возбуждением постоянным током не находят применения.

При малых мощностях в случае необходимо­сти получения постоянства скорости вращения (в устройствах автоматики, телемеханики, звуко­вого кино и т. и.) широко используют реактивные синхронные двигатели.

Ротор реактивного синхронного двигателя имеет явно выраженные полюса. При очень малых мощностях ротор делают цилиндрическим из алюминия, в который при отливке закладывают­ся стержни из мягкой стали, выполняющие функ­цию явно выраженных полюсов (рис. 132). Цилиндрическая форма ротора упрощает его обра­ботку и балансировку, а также снижает потери на трение о воздух при работе машины, что суще­ственно для двигателей очень малых мощностей.

В реактивных синхронных двигателях вращающий момент создается в результате стремления ротора ориен­тироваться в магнитном поле таким образом, чтобы магнитное со­противление для этого поля было наименьшим. Поэтому ротор будет всегда занимать такое положение в пространстве, при котором маг­нитные линии вращающегося магнитного поля статора замкнутся через сталь ротора, так что он будет вращаться вместе с магнитным полем статора.

Наряду с трехфазным широко используют и однофазные реак­тивные двигатели.

Контрольные вопросы

1. Поясните принцип работы синхронного генератора.

2. Каково устройство генератора с явно и неявно выраженными полюсами?

3. Объясните внешние и регулировочные характеристики синхронного гене­ратора.

4. Какие условия необходимо выполнить для включения синхронного гене­ратора в сеть?

5. Объясните принцип работы синхронного двигателя.

6. В чем состоит принцип работы реактивного двигателя?