Практическое занятие № 22. Исследование трехфазного синхронного генератора

Цель работы – изучение основных свойств синхронного генератора.

Программа работы

1. Изучить характеристику холостого хода.

2. Изучить нагрузочную характеристику при cosφ₁=0.

3. Изучить внешние характеристики при активной (cosφ₁=1) и активно - индуктивной нагрузках (cosφ₁=0,707).

4. Изучить регулировочные характеристики при активной и активно - индуктивной нагрузках.

5. Изучить характеристики трехфазного, двухфазного и однофазного короткого замыкания.

Выполнение работы

Схема для испытаний синхронного генератора представлена на рис. 1.

Приводным двигателем синхронного генератора является двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением. Регулирование частоты вращения осуществляется резистором R_р, который перед пуском двигателя должен быть полностью выведен.

Рис.1 Схема для испытаний синхронного генератора

Возбуждение синхронного генератора питается от сети постоянного тока, ток возбуждения регулируется с помощью делителя напряжения R₁–R₂.

Нагрузкой генератора является регулируемое активное сопротивление R_н и индуктивное сопротивление х_н.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода представляет собой зависимость напряжения (ЭДС) обмотки статора от тока возбуждения при токе статора, равном нулю, и номинальной частоте вращения.

Характеристику снимают при убывающем токе возбуждения I_в, плавно изменяя его величину в одном направлении.

При построении опытную характеристику холостого хода смещают параллельно самой себе по оси абсцисс так, чтобы она проходила через начало координат (рис. 2).

Рис.2 Характеристика холостого хода, индукционная нагрузочная характеристика и реактивный треугольник

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика (индукционная нагрузочная характеристика) представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора U₁ от тока возбуждения I_в при постоянных значениях тока статора I₁, частоте вращения n и коэффициенте мощности cosφ₁=0 (чисто реактивная нагрузка).

Эта характеристика используется для определения расчетного индуктивного сопротивления х_р, близкого по своему значению к индуктивному сопротивлению рассеяния х_s.

Для проведения опыта к статору подключают индуктивную катушку. Изменяя сопротивление х_н перемещением сердечника и регулируя ток I_в, устанавливают номинальный ток статора I₂ = I_2Н при напряжении U₁ =(1,1-1,2)∙ U_2Н. Затем, уменьшая напряжение U₁ снижением тока возбуждения, поддерживают неизменным ток статора I₁ путем регулирования х_н.

Внешние характеристики

Внешняя характеристика представляет зависимость напряжения U₁ от тока статора I₁ при постоянных значениях тока возбуждения I_в, коэффициента мощности cosφ₁ и частоте вращения n, U₁=f(I₁), при I_в =const, cosφ₁=const и n =const.

Характеристики снимают при активной нагрузке (cosφ₁=1) и смешанной активно – индуктивной нагрузке (cosφ₁=0,707).

При активной нагрузке генератор включают на активное сопротивление R_н. При смешанной нагрузке – параллельно соединенные активное R_н и индуктивное х_н сопротивления.

Регулируя величины R_н и х_н, поддерживают во время опыта равенство токов в них (I_2a = I_2p) так, чтобы угол φ₁ оставался постоянным (cosφ₁=0,707).

Для снятия первой точки внешней характеристики при изменении нагрузки регулируют ток возбуждения I_в и сопротивление нагрузки так, чтобы при номинальном токе статора (I₂ = I_2Н) и заданном cosφ₁ напряжение генератора было равно номинальному U₁ = U_1Н. Затем при том же токе возбуждения снимают 4 – 5 точек характеристики, уменьшая ток статора до нуля.

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика представляет зависимость тока возбуждения I_в от тока статора I_в = f(I₂) при U₁ = const; n = n_н и cos φ = const.

Эта характеристика показывает, как надо регулировать ток возбуждения генератора при изменении нагрузки, чтобы напряжение оставалось постоянным. В работе требуется снять регулировочные характеристики при U₁ = U_1Н для режима работы генератора на активную и активно – индуктивную нагрузки (cosφ₁=1 и cosφ₁=0,707). Записать 4 – 5 точек, обязательно записать точку при I₂ = 0 и когда I₂ = (1,2-1,3)∙ I_2Н.

Характеристики короткого замыкания

Характеристики короткого замыкания представляют собой зависимости тока статора I₁ от тока возбуждения I_в при коротком замыкании (рис.3):

1) всех трех фаз между собой (трехфазное к.з.), I_1К(3)=f(I_в),

2) двух фаз между собой (двухфазное к.з.), I_1К(2)=f(I_в),

3) одной фазы замкнутой на нейтральную точку, I_1К(1)=f(I_в).

Последний опыт проводится в том случае, если нейтральная точка выведена на щиток генератора.

По опытным данным на основе характеристик холостого хода и нагрузочной определяют реактивное сопротивление рассеяния и н.с. продольной реакции якоря. Для этого на нагрузочной характеристике (рис. 2) берут точку А, соответствующую номинальному напряжению, и проводят прямую АВ параллельно оси абсцисс.

Рис.3 Схема соединения обмоток статора при трехфазном, двухфазном и однофазном коротком замыкании

На этой прямой откладывают отрезок АС=ОК, равный току (или н.с.) возбуждения при трехфазном короткого замыкании. Из точки С проводят прямую СД параллельно линейной части характеристики холостого хода. Далее из точки Д опускают перпендикуляр на отрезок АС. Треугольник АДЕ называют реактивным, причем его сторона ДЕ пропорциональна ЭДС рассеяния Е_S = I₁∙x₁. При этом реактивное сопротивление где при расчете принимаются фазные значения ЭДС и токов.

Определение процентного изменения напряжения производится с помощью диаграммы электродвижущих и намагничивающих сил (э.н.с.). Эта диаграмма (рис.4) строится для тока I₂ = I_2Н и cosφ₁=0,707. В осях координат U₂; I_в в первом квадранте строят характеристику холостого хода. По оси ординат строят номинальный ток нагрузки I_2Н и под углом φ₁ вектор напряжения U_Н, от конца которого откладывают вектор активного падения напряжения I_2Нr₁. К концу последнего вектора под углом 90° в сторону опережения относительно вектора тока, откладывается вектор реактивного падения напряжения (см. рис.4, отрезок ДЕ). Замыкающая этих векторов определяет вектор ЭДС E_δ, которая наводится магнитным потоком обмотки возбуждения и реакции якоря. Суммарная н.с. определяется комплексным уравнением

F_δ= F₀+ F_a.

Векторы н.с. строят в масштабах пропорциональных им токов возбуждения. Величина вектора F_δ определяется по характеристике холостого хода; по направлению он опережает вектор E_δ наводимой им ЭДС на 90°. Результирующая н.с. обмотки возбуждения F₀= F_δ - F_a. Величина вектора F_a определяется из реактивного треугольника (отрезок ЕА); по направлению вектор F_a совпадает с вектором тока I_1Н. По вектору F₀ и характеристике холостого хода, определяют вектор ЭДС, действующий в режиме холостого хода.

Рис.4 Диаграмма электродвижущих и намагничивающих сил

Зная E₀ и U_1Н вычисляют процентное повышение напряжения генератора при сбросе нагрузки

и сравнивают с процентным повышением напряжения, найденным из опыта определения внешней характеристики.

Вопросы для самоконтроля

1. Принцип действия синхронного генератора.

2. Варианты исполнения полюсов на роторе синхронного генератора.

3. Чем объясняется изменение напряжения на обмотках статора синхронного генератора при нагрузке, и как на него влияет характер нагрузки (активная, активно – реактивная).

4. Реакция статора (якоря) и ее влияние на магнитное поле синхронного генератора.

5. Как обеспечивается регулирование напряжения на обмотках статора синхронного генератора при постоянных значениях тока статора, включая частный случай равенства этого тока нулю.

6. Возможные варианты короткого замыкания обмоток синхронного генератора и сравнение токов опытного короткого замыкания при одинаковых токах в обмотках возбуждения.