Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Синхронные генераторы

Принцип действия синхронного генератора рассмотрим на двухполюсный модели синхронной машины (рис. 5.1). При включении обмотки возбуждения на источник постоянного тока, она создает магнитное поле. Поскольку это поле образовано постоянным током, то оно неподвижно в пространстве относительно полюсов ротора. На каждом полюсном разделения в воздушном промежутке индукция распределяется по синусоидальному закону (рис. 5.2).

Модель двухполюсной синхронной машины

Рисунок 5.1 - Модель двухполюсной синхронной машины

Распределение магнитной индукции в воздушном промежутке

Рисунок 5.2 - Распределение магнитной индукции в воздушном промежутке

Если ротор не приведен во вращение, в обмотке якоря ЭДС НЕ индуцируется. Когда ротор приводится во вращение приводным двигателем (ветродвигателем), силовые линии поля возбуждения пересекают проводники обмотки якоря (статора) и индуцируют в них ЭДС. Действующее значение ЭДС фазы обмотки якоря определяется выражением

(5.4)

где - число последовательно соединенных витков в фазе обмотки якоря; - Частота ЭДС синхронного генератора, которая определяется формулой (5.1), Гц; - Магнитный поток возбуждения на полюсном разделения, Вб; - Обмоточный коэффициент обмотки якоря.

Согласно приведенной зависимости, значение ЭДС и, соответственно, выходное напряжение генератора зависит от двух факторов:

- Значение магнитного потока на полюсном деление, что регулируется током возбуждения.

- Частоты вращения ротора п.

Как правило, в генераторах общепромышленного назначения частота выходного напряжения = 50 Гц, следовательно, в зависимости от числа пар полюсов машины, частота вращения ротора должна соответствовать ряду:

Р

1

2

3

4

5

п, об / мин

3000

1500

1000

750

600

Таким образом, в синхронных генераторах регулировать значение ЭДС обмотки якоря и соответственно, выходное напряжение возможно только изменением тока возбуждения. Направление вращения ротора должен быть таким, чтобы на зажимах обмотки якоря образовался прямой порядок изменения фаз А, В, С.

В синхронных машинах применяют две разные конструкции ротора неявнополюсного - с неявно выраженными полюсами (рис. 5.3, а) и явнополюсну - с явно выраженными полюсами (рис. 5.3, б).

Двух- и четырехполюсным машины большой мощности, работающих при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об / мин, изготавливают, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно при условии обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения.

Явнополюсний ротор обычно используют в машинах с четырьмя полюсами и более (рис. 5.3). Обмотку возбуждения в этом вы-

Роторы синхронных неявнополюсиои (а) и явнополюснои (6) машин: 1 - сердечник ротора;  2 - обмотка возбуждения

Рисунок 5.3 - Роторы синхронных неявнополюсиои (а) и явнополюснои (6) машин: 1 - сердечник ротора; 2 - обмотка возбуждения

палку выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов. В явнополюсних машинах полюсным наконечникам обычно предоставляют такой профиль, чтобы воздушный промежуток между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным в его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном промежутке приближается к синусоиде.

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МРС возбуждения F 0 и статора (якоря) F a, при этом МРС статора влияет на МРС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или искажая его форму. Действие МРС обмотки статора на МРС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря влияет на рабочие характеристики синхронной машины, поскольку изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, приведенной в обмотке статора, и следовательно, изменением ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки. Для выяснения влияния реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активного, индуктивного и емкостного. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МРС. При построении этих диаграмм иметь в виду, что вектор ЭДС F a, индуцированной магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МРС ) на 90 °. Что касается вектора тока в обмотке статора , то он может занимать по отношению к вектору Е 0 различные положения, определяемые углом ψ в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка (ψ = 0)

На рис. 5.4, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсний, вращается против часовой стрелки. Предположим, что в некоторый момент времени ротор занимает вертикальное положение, соответствующее максимуму ЭДС в фазной обмотке. Поскольку ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимума тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МРС статора направлена перпендикулярно МРС возбуждения . Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: согласно пространственного положения ротора генератора проводим вектор МРС возбуждения ; под углом 90 ° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС , приведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора совпадает по фазе с вектором ЭДС .

Реакция якоря синхронного генератора при активном (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Рисунок 5.4 - Реакция якоря синхронного генератора при активном (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Магнитное поле синхронного генератора при активной нагрузке

Рисунок 5.5 - Магнитное поле синхронного генератора при активной нагрузке

Такое действие МРС статора (якоря) на МРС возбуждения вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается сбегая краем полюса (рис. 5.5). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется.

Объясняется это тем, что размагничивания набегающих краев полюсных наконечников и участков зубцового слоя статора, находящихся над ними, происходит беспрепятственно, а подмагничивания сбегая краев полюсных наконечников и участков зубцового слоя статора, находящихся над ними, ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В результате результирующий магнитный поток машины ослабляется, то есть магнитная система несколько размагничивается. Это приводит к уменьшению ЭДС машины .

Индуктивная мощность ().

При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора отстает по фазе от ЭДС на 90 °. Поэтому он достигает максимального значения только после поворота ротора вперед на 90 ° относительно его положения, согласно максимума ЭДС (см. Рис. 5.4, б). При этом МРС действует вдоль оси полюсов ротора встречно МРС возбуждения . В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МРС статора ослабляет поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке обнаруживает продольно-размагничивающей действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в данном случае магнитное поле не искажается.

Емкостную нагрузку ().

Поскольку ток , при емкостном нагрузке опережает по фазе ЭДС на 90 °, то своего большее значение он достигает раньше, чем ЭДС, то есть когда ротор займет положение, показанное на рис. 5.4, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже в соответствии с МДС возбуждения .

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостном нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает действие, продольно-намагничивающей. Магнитное поле при этом не искажается.

Смешанное нагрузки.

При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора сдвинут по фазе относительно ЭДС на угол, значение которого находятся в пределах . Для оценки влияния реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диаграммами МРС, представленными на рис. 5.6.

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 5.6, а) вектор отстает от вектора на угол Разложим вектор на составляющие: продольную составляющую МРС статора, (пропорциональную реактивной составляющей тока нагрузки ) и поперечную составляющую МРС статора (пропорциональную активной составляющей тока нагрузки ). Такое же разложение МРС якоря на составляющие можно сделать в случае активно-емкостного нагрузки (рис. 5.6, б). При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС (нагрузка активно-индуктивный), то МРС размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС (нагрузка активно-емкостное), то МРС пидмагничуе генератор.

Реакция якоря при смешанной нагрузке

Рисунок 5.6 - Реакция якоря при смешанной нагрузке

Магнитодвижущая силы реакции якоря по продольной и поперечной осям создают в магиитопроводи синхронной машины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков:

- По продольной оси

(5.5)

- По поперечной оси

(5.6)

где и - магнитные опоры синхронной машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям.

В неявнополюсного машине воздушный промежуток по периметру расточки статора равномерное, а потому магнитные опоры по продольной и поперечной осям уровне ( ).

Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, приводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

- По продольной оси

(5.7)

- По поперечной оси

(5.8)

где - индуктивное сопротивление реакции якоря, что является главным индуктивным сопротивлением обмотки статора (Ом).

В явнополюсних синхронных машинах магнитные опоры машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы ( ):

(5.9)

(5.10)

где - магнитное сопротивление при равномерном повилряному промежутке по всему периметру расточки статора; и - коэффициенты формы поля.

Это обстоятельство влияет на значение магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря:

(5.11)

(5.12)

где и - индуктивные сопротивления реакции якоря явнополюснои машины соответственно по продольной и по поперечной осям.

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отличается от напряжения этого генератора в режиме холостого хода. Это объясняется влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассеяния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

При работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МРС, которые, взаимодействуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, условно исходят из предположения независимой действия всех МРС генератора, то есть предполагается, что каждая из МРС создает собственный магнитный поток. Следует отметить, что такое представление не соответствует физической сущности явлений, поскольку в одной магнитной системе возникает один только магнитный поток - результирующий. Но в данном случае предположение независимости магнитных потоков дает возможность лучше понять влияние всех факторов на работу синхронной машины.

Итак выясним, какое же влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.

1. МРС обмотки возбуждения , создает магнитный поток возбуждения Ф 0, который, сцепляясь с обмоткой статора, приводит в ней основную ЭДС генератора .

2. МРС реакции якоря по продольной оси создает магнитный поток, который приводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря (5.11).

3. МРС реакции якоря по поперечной оси создает магнитный поток, который приводит в обмотке статора ЭДС (5.12).

4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора приводит в обмотке статора ЭДС рассеяния , значение которой пропорционально индуктивной сопротивления рассеяния фазы обмотки статора .

(5.13)

5. Ток в обмотке статора создает активное падение напряжения в активном сопротивлении фазы обмотки статора :

(5.14)

Геометрическая сумма всех перечисленных ЭДС, приведенных в обмотке статора, определяет напряжение на выходе синхронного генератора:

(5.15)

где - геометрическая сумма всех ЭДС, приведенных в обмотке статора результирующим магнитным полем машины, образованным совместным действием всех МРС ( ) и потоком рассеяния статора .

Активное сопротивление фазы обмотки статора в синхронных машин средней и большой мощности невелик, и поэтому даже при номинальной нагрузке падение напряжения составляет столь малую величину, с некоторым допущением можно принять . Тогда уравнение (5.15) можно записать в виде

(5.16)

Выражения (5.15) и (5.16) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.

В неявнополюсного синхронных генераторах реакция якоря характеризуется полной МРС статора без разделения ее по осям, поскольку в этих машинах магнитные опоры по продольной и поперечной осям одинаковы. Поэтому ЭДС статора в неявнополюсного машинах , равная индуктивной падению напряжения в обмотке статора, пропорциональна индуктивной сопротивления реакции якоря , то есть

(5.17)

Поток реакции якоря и поток рассеяния статора создаются одним током , поэтому индуктивные сопротивления и можно рассматривать как суммарный индуктивное сопротивление

(5.18)

представляющий собой синхронный сопротивление неявнополюсного машины. С учетом этого ЭДС реакции якоря и ЭДС рассеяния следует рассматривать также как сумму

(5.19)

представляющий собой синхронную ЭДС неявнополюсного машины. С учетом изложенного уравнение напряжения неявнополюсного синхронного генератора имеет вид

(5.20) или

(5.21)

Для построения векторной диаграммы явнополюсного синхронного генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток отстает по фазе от ЭДС ), воспользуемся уравнением ЭДС (3.15). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х. ; тока нагрузки , и его сдвига , относительно ЭДС ; продольного и поперечного индуктивных сопротивлений реакции якоря; активного сопротивления фазной обмотки статора . При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят только для одной фазы.

Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис 5.7, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС и под углом к нему - вектор тока . Последний разложим на составляющие: реактивную и активную . Далее, с конца вектора откладываем векторы ЭДС , , и . Соединил конец вектора с точкой 0, получим вектор напряжения , значение которого равно геометрической сумме векторов ЭДС (5.15).

Векторные диаграммы явнополюсиого (а и б) и неявнополюсного (в и г) синхронных генераторов: а и в - при активно-индуктивной нагрузке;  б и г - при активно-емкостной нагрузке

Рисунок 5.7 - векторные диаграммы явнополюсиого (а и б) и неявнополюсного (в и г) синхронных генераторов: а и в - при активно-индуктивной нагрузке; б и г - при активно-емкостной нагрузке

При построении векторной диаграммы генератора, работающего на активно-емкостную нагрузку (ток опережает по фазе ЭДС ), вектор тока , откладывают слева от вектора ЭДС (рис. 5.7, б), а направление вектора устанавливают согласно с направлением вектора ЭДС , поскольку при емкостном характере нагрузки реакция якоря имеет пидмагничуючий характер. В противном случае порядок построения диаграммы остается прежним.

Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (5.20), при этом вектор откладывают под углом к вектору тока (рис. 5.7, в).

Следует отметить, что построенные векторные диаграммы не учитывают насыщения магнитной цепи, поэтому отражают только качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы позволяют сделать следующие выводы; основным фактором, влияющим на изменение напряжения нагруженного генератора, является продольная составляющая магнитного потока якоря, что создает ЭДС ; при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку, то есть с током , отстает по фазе от ЭДС, напряжение на выводах обмотки статора, с увеличением нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающей влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно-емкостную нагрузку (с током , опережающий по фазе ЭДС ) напряжение с увеличением нагрузки повышается, что объясняется пидмагничуючим влиянием реакции якоря (рис. 5.7, г).

Основными характеристиками синхронных генераторов, работающих на автономное нагрузки, являются внешние и регулировочные характеристики.

Внешние характеристики СГ является зависимостями напряжения U от тока нагрузки и при неизменном токе возбуждения; в частоте вращения ротора п и коэффициенте мощности нагрузки cos φ.

Регулировочные характеристики являются зависимостями тока возбужденияот тока нагрузки и при U , п и. Они показывают, как надо менять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать напряжение постоянной при изменении нагрузки. Эти характеристики при разных по характеру нагрузках, но при неизменных значениях cos φ приведены на рис. 5.8.

При холостом ходе напряжение на зажимах генератора равна ЭДС холостого хода, то есть . Характер изменения напряжения при включении нагрузки определяется в основном действием реакции якоря. Если внешняя нагрузка чисто активное ( ), то реакция якоря являются преимущественно поперечной и ее размагничивающей действие невелика. Внешняя характеристика имеет слабый наклон оси (рис. 5.8, кривая 2). При смешанном активно-индуктивной нагрузке (

Внешние (а) и регулировочные (6) характеристики синхронного генератора

Рисунок 5.8 - Внешние (а) и регулировочные (6) характеристики синхронного генератора

cosφ> 0) размагничивающей действие продольной реакции якоря проявляется сильнее и внешняя характеристика (рис. 5.8, а, кривая 3) идет ниже, чем при активной нагрузке. В этих случаях для поддержания напряжения неизменный ток возбуждения должен быть увеличен (рис. 5.8, б, кривые 2 и 3).

Если нагрузка генератора активно-емкостное ( ), реакция якоря оказывает пидмагниуючу действие и с увеличением тока якоря до определенного значения напряжения на зажимах якоря повышается (рис. 5.8, а, кривая 1), а ток возбуждения дляьпидтримкы необходимо уменьшать (рис. 5.8 , б, кривая 1 ).

При эксплуатации генераторов в реальных условиях стабилизация напряжения осуществляется регуляторами возбуждения, которые влияют на величину магнитного потока, а, следовательно, и на ЭПС за счет увеличения (при активно-индуктивной нагрузке) тока возбуждения ротора.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее