Синхронные генераторы переменного тока

Синхронные генераторы как источники переменного тока классифицируются по числу фаз, частоте, напряжению и по виду приводного двигателя. Наибольшее распространение получили трехфазные синхронные генераторы промышленной частоты (50 Гц) на повышенное напряжение (до 12 кВ). Обмотка якоря располагается на статоре, обмотка возбуждения — на роторе. Частота f₁эдс переменного тока зависит от частоты вращения

ротора п₁и числа пар полюсов р:

Роторы синхронных генераторов при многополюсной системе возбуждения выполняются с явно выраженными полюсами, при двухполюсной системе — с неявно выраженными полюсами.

На рис. 162 представлена электромагнитная схема трехфазного синхронного генератора.

► В синхронных генераторах стремятся получить синусоидальную форму выходного напряжения. Для этой цели в явнополюсных системах создают неравномерный воздушный зазор, а в неявнополюсных системах распределяют проводники обмотки возбуждения по пазам (рис. 163,а,б).

Для устранения третьей гармоники обмотку якоря соединяют в звезду.

Действующее значение эдс фазы якорной обмотки синхронного генератора при синусоидальной форме эдс, индуцируемой в проводниках, равно

где w — число витков фазы якорной обмотки; k_об — обмоточный коэффициент.

Характеристика холостого хода синхронного генератора E₀(I_в) имеет такой же вид, как и у генератора постоянного тока, но здесь значительно меньше проявляется гистерезис магнитной цепи. При включении обмотки якоря на внешнее сопротивление (нагрузку) в проводниках обмотки появится ток. В синхронном генераторе токи якоря (статора) создают магнитное поле Ф_а (рис. 164), вращающееся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока (ротора) Фо. Совпадение токов в проводниках по фазе с эдс будет только при активной нагрузке, при индуктивной нагрузке ток отстает по фазе от эдс на π/2, при емкостной — опережает ее на π/2 (рис. 164, а, б, в).

При индуктивной (рис. 164,6) и емкостной (рис. 164,в) нагрузке магнитные линии поля ротора Ф₀ и статора Ф_а коллинеарны.

ЗАПОМИНИТЕ

При этом реакция якоря при индуктивной нагрузке будет размагничивающая, т. е. результирующее поле машины ослабляется, а при емкостной нагрузке — подмагничивающая — результирующее поле усиливается.

Уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора с учетом поля рассеяния якоря Ф₀ имеет вид

где — эдс холостого хода; , — эдс самоиндукции обмотки якоря соответственно основного поля якоря и поля рассеяния.

Выражая и через индуктивные сопротивления Ė_а = —jX_aİ и Ė_σ=—jX_aİ и полагая, что полное индуктивное сопротивление синхронной машины Х_син=Х_а+Х_σ и X_син>>R_я получим упрощенное уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора

Этому уравнению соответствует электрическая схема замещения, представленная на рис. 165, а. Векторная диаграмма при индуктивно-активной нагрузке представлена на рис. 165, б.

В синхронных генераторах используется в основном независимое возбуждение, а вид внешней характеристики определяется характером нагрузки. На рис. 166, а представлена внешняя характеристика синхронного генератора при активной (кривая 1), активно-индуктивной (кривая 2) и активно-емкостной (кривая 3) нагрузках.

Рост напряжения с увеличением тока при емкостной нагрузке объясняется подмагничивающим действием реакции якоря, а снижение при индуктивной нагрузке — размагничивающим действием реакции якоря.

В синхронном генераторе с реактивно-активной нагрузкой при определении электромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока (или напряжения):

Электромагнитную мощность синхронного генератора обычно представляют через угол θ (см. рис. 165,б).

Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря и подставив из векторной диаграммы получим

Электромагнитный момент, выраженный через угол θ,

На рис. 166, б представлены зависимости P_эм и М синхронного генератора от 9 при разных токах возбуждения, называемые угловой характеристикой.

Синхронные генераторы в качестве источников электроэнергии переменного тока, как правило, включаются параллельно в распределительную сеть. В мощных энергосистемах различными регуляторами поддерживаются строго постоянные частота и напряжение. Поэтому отдельный генератор можно рассматривать как работающий параллельно с источником эдc, замещающим всю остальную часть энергосистемы (рис. 167, а).

►При параллельной работе генератора с системой большой мощности его частота и напряжение, а также угловая скорость должны оставаться неизменными при любых изменениях нагрузки, тока возбуждения и момента первичного двигателя.

Активную мощность, отдаваемую генератором в сеть, можно регулировать только изменением момента первичного двигателя, т. е. воздействием на устройства подачи топлива или энергоносителя (воды, пара и т. п.).

Реактивную мощность, отдаваемую генератором в сеть, регулируют изменением тока возбуждения.

При этом, если активная мощность генератора остается неизменной, то из выражения для Р_эм следует, что при изменении тока возбуждения остаются неизменными Icosφ и E₀sinφ (рис. 167, б, в), т. е. соответственно активная составляющая тока и проекция вектора E₀ на ось мнимых величин.

На рис. 167, б представлены зависимости тока якоря I от тока возбуждения I_в при разных мощностях генератора, называемые U-образными характеристиками I(I_в).

На рис. 167, в представлены векторные диаграммы синхронного генератора, работающего на сеть большой мощности при трех значениях тока возбуждения и Р = const, иллюстрирующие характер зависимостей I(I_в). Линия, соединяющая минимальные значения токов, соответствует чисто активной нагрузке, т. е. cosφ=1 (см. рис. 167,б).

При уменьшении тока возбуждения уменьшается амплитуда момента М угловой характеристики М(θ) (см. рис. 166). При М_дв=М_Гт наступает граница устойчивости. Дальнейшее уменьшение I_в приведет к выпадению генератора из синхронизма.