Векторные диаграммы СГ. Характеристики СГ,

Работающего на индивидуальную нагрузку.

Потери и КПД.

Неявнополюсный генератор. ЭДС Ē₀, наводимая в об­мотке якоря уравновешивается ЭДС Ē_а, наводимой потоком реакции якоря, ЭДС самоиндукции обмотки якоря Ē_аσ, падени­ем напряжения на активном сопротивлении обмотки якоря Ī₁R_a и падением напряжения на нагрузке Ī₁Z_н. Таким образом, для цепи якоря неявнополюсного синхронного генератора без учета насыщения магнитопровода справедливо уравнение:

. (4.10)

Поскольку ; ; где Х_а — индуктивное сопротивление реакции якоря, то подставив эти выражения в (4.10) и получим:

. (4.11)

Обозначим . Величина называется синхрон­ным индуктивным сопротивлением с учетом этого уравнение примет вид:

Ē₀= Ū₁ -JĪ₁X_C + Ī₁R_a. (4.12)

Уравнению (4.12) соответствует упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного генератора, которая приведена на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Векторная диаграмма неявнополюсного генератора

Поскольку падение на­пряжения в активном сопро­тивлении обмотки якоря I₁R_a сравнительно невелико, им можно пренебречь. Это уп­рощает построение вектор­ной диаграммы.

Угол θ между векторами Ē₀ и Ū₁ называютуглом на­грузки. При работе синхронной машины в генераторном ре­жиме напряжение СД всегда отстает от ЭДС Е₀, в этом случае угол θ считается положительным. Чем больше отдава­емая генератором мощность, тем больше угол нагрузки.

Явнополюсный генератор. В явнополюсном генераторе ЭДС Ē₀, также уравновешивается ЭДС Ē_а, наводимой потоком реакции якоря, ЭДС самоиндукции обмотки якоря Ē_аσ, паде­нием напряжения на активном сопротивлении обмотки якоря Ī₁R_a и падением напряжения на нагрузке Ī₁Z_н. Однако ЭДС Ē_а в этой машине представляется как геометрическая сумма:

, (4.13)

ЭДС E_ad индуктируется потоком Ф_аd и пропорциональна току якоря или статора генератора Ī₁. Соответственно ЭДС Ē_аq индуктируется потоком Ф_aq и также пропорциональна току якоря или статора генератора Ī₁:

; , (4.14)

где и — индуктивные сопротивления реакции якоря, соответственно, по продольной и поперечной осям.

С учетом выражений (4.10, 4.13 и 4.14) для явнополюсного синхронного генератора без учета насыщения магнитопровода можно в соответствии со вторым законом Кирхгофа соста­вить уравнение:

, (4.15)

подставив значения и , а также Ī₁Z_H = Ū₁, получим:

. (4.16)

Уравнению (4.16) соответствует векторная диаграмма явнополюсного генератора, работающего на индуктивно-активную нагрузку, которая приведена на рис. 4.11.

ЭДС самоиндукции обмотки якоря можно представить в виде:

. (4.17)

Подставив выражение (4.17) в уравнение (4.16) получим:

,

или:

Рис. 4.11. Векторная диаграмма явнополюсного синхронного генератора без учета насыщения

Сопротивления X_d и X_q назы­вают синхронными индуктивны­ми сопротивлениями обмотки якоря по продольной и попе­речной осям.

Ось продольного потока якоря Ф_ad направлена по оси полю­сов ротора, где воздушный за­зор машины минимальный, а ось поперечного потока Ф_aq совпа­дает с серединой межполюсно­го пространства, где воздушный зазор имеет наибольшее значе­ние. Поэтому магнитная прово­димость для потока Ф_ad больше, чем для потока Ф_аq. Следова­тельно, для явнополюсной маши­ны всегда X_d > X_q.

Синхронные индуктивные со­противления X_d и X_q находят по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания. При опыте холостого хода определяют характеристику хо­лостого хода E₀=ƒ(I_B) при но­минальной частоте вращения машины, изменяя ток возбуж­дения I_В (рис. 4.12). При опыте короткого замыкания фазы об­мотки якоря замыкают нако­ротко через амперметры, после чего ротор приводят во враще­ние с номинальной частотой и снимают характеристику ко­роткого замыкания, т. е. зави­симость тока якоря от тока возбуждения I₁ = ƒ(I_B)

Рис. 4.12. Характеристики холостого хода и короткого замыкания

Эта характеристика (рис.4.12) имеет линейный характер, так как при условииR_a= 0 сопротивление цепи якоря является чисто индуктивным и ток короткого замыкания I_1K = l_d создает поток реакции якоря, размагничивающий машину. В резуль­тате магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной, т. е. ЭДС Е₀ и ток I_1к будут изменяться пропорционально току воз­буждения I_В.

В режиме короткого замыкания напряжение U₁ = 0, по­этому уравнение для явнополюсной машины принимает вид:

_. (4.19)

Для неявнополюсной машины:

(4.20)

Из формулы (4.19) можно определить синхронное индук­тивное сопротивление машины по продольной оси , где ЭДС E₀ и ток Ī_1к должны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения (рис. 4.12).

Для прямолинейного участка характеристики холостого хода безразлично, при каком токе возбуждения определяется X_d, так как во всех случаях X_d = const. Это же значение сопротив­ления X_d получим при определении Е₀ по спрямленной харак­теристике холостого хода Оа, соответствующей ненасыщен­ной машине.

По полученному значению X_d можно определить синхрон­ное индуктивное сопротивление по поперечной оси, если из­вестны коэффициенты приведения k_d и k_q:

. В неявнополюсных машинах , поэтому .

В относительных единицах синхронные индуктивные сопро­тивления синхронных явнополюсных машинах средней и боль­шой мощности находятся в пределах: X_d* = 0,6... 1,5; X_q*= 0,4...0,9. Относительная величина индуктивного сопротивления, обус­ловленного потоком рассеяния, мала (Х_aσ*= 0,14...0,2). В неявнополюсных машинах средней и большой мощности обычно сопротивление Х_с. = 0,9... 2,4.

Сопротивления, выраженные в относительных единицах, характеризуют параметры машины, показывая относительную (по отношению к номинальному напряжению) величину паде­ния напряжения при номинальном токе. Кроме того, величины позволяют сравнивать свойства генераторов различной мощ­ности.

Величина, обратная X_d*, называется отношением корот­кого замыкания:

. (4.21)

Это отношение характеризует величину установившегося тока короткого замыкания 1_1кН= ОКЗ/1_1Н, который имеет место при номинальном токе возбуждения генератора, соответствую­щем номинальному напряжению генератора.

Для неявнополюсных машин ОКЗ составляет 0,5... 1,0, для явнополюсных — 0,8...1,8. Следовательно, установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик, так как при этом режиме поле якоря сильно размаг­ничивает машину, и ЭДС Е_1к « Е₀.

Величина ОКЗ имеет большое значение для эксплуатации: она показывает кратность тока короткого замыкания и опреде­ляет величину мощности, которой можно нагрузить синхронный генератор. Следовательно, выгоднее иметь машину с большим ОКЗ, однако это требует выполнения ее с большим воздуш­ным зазором, что существенно удорожает машину.