Moduri de funcționare ale generatoarelor sincrone, caracteristicile de funcționare ale generatoarelor

Principalele mărimi care caracterizează generatorul sincron sunt: ​​tensiunea terminală U, încărcarea I, puterea aparentă P (kVa), rotațiile rotorului pe minut n, factorul de putere cos φ.

Cele mai importante caracteristici ale generatorului sincron sunt următoarele:

• caracteristica inactiv,

• caracteristica exterioara,

• caracteristica reglatoare.

Caracteristica fără sarcină a unui generator sincron

Forța electromotoare a generatorului este proporțională cu mărimea fluxului magnetic Ф creat de curentul de excitație iv și cu numărul de rotații n rotorul generatorului pe minut:

E = cnF,

unde s — factor de proporționalitate.

Deși mărimea forței electromotoare a unui generator sincron depinde de numărul de rotații ale rotorului, este imposibil să o reglați prin modificarea vitezei de rotație a rotorului, deoarece frecvența forței electromotoare este legată de numărul de rotații ale rotorului generatorului, care trebuie menținut constant.

Prin urmare, rămâne singura modalitate de a regla mărimea forței electromotoare a unui generator sincron - aceasta este o modificare a fluxului magnetic principal F. Acesta din urmă se realizează de obicei prin ajustarea curentului de excitație iw folosind un reostat introdus în circuitul de excitație. a generatorului. În cazul în care bobina de excitație este alimentată cu curent de la un generator de curent continuu situat pe același arbore cu acest generator sincron, curentul de excitație al generatorului sincron este reglat prin modificarea tensiunii la bornele generatorului de curent continuu.

Dependența forței electromotoare E a generatorului sincron de curentul de excitație iw la o viteză nominală constantă a rotorului (n = const) și o sarcină egală cu zero (1 = 0) se numește caracteristica de mers în gol a generatorului.

Figura 1 prezintă caracteristica fără sarcină a generatorului. Aici, ramura ascendentă 1 a curbei este îndepărtată pe măsură ce curentul iv crește de la zero la ivm, iar ramura descendentă 2 a curbei - când iv se schimbă de la ivm la iv = 0.

Orez. 1. Caracteristica inactiv a unui generator sincron

Divergența dintre ramurile 1 ascendente și 2 descrescătoare se explică prin magnetismul rezidual. Cu cât aria delimitată de aceste ramuri este mai mare, cu atât sunt mai mari pierderile de energie în oțelul generatorului sincron de inversare a magnetizării.

Abruptul creșterii curbei în gol în secțiunea dreaptă inițială caracterizează circuitul magnetic al generatorului sincron. Cu cât debitul amperi-turn este mai mic în golurile de aer ale generatorului, cu atât mai abruptă va fi caracteristica de ralanti a generatorului, în alte condiții.

Caracteristicile externe ale generatorului

Tensiunea terminală a unui generator sincron încărcat depinde de forța electromotoare E a generatorului, de căderea de tensiune în rezistența activă a înfășurării sale statorice, de căderea de tensiune datorată forței electromotoare de autoinducție Es și de căderea de tensiune datorată reacția armăturii.

Se știe că forța electromotoare disipativă Es depinde de fluxul magnetic disipativ Fc, care nu pătrunde în polii magnetici ai rotorului generatorului și deci nu modifică gradul de magnetizare al generatorului. Forța electromotoare disipativă de autoinducție Es a generatorului este relativ mică și, prin urmare, poate fi practic neglijată.În consecință, acea parte a forței electromotoare a generatorului care compensează forța electromotoare de autoinducție disipativă Es poate fi considerată practic egală cu zero. .

Răspunsul armăturii are un efect mai vizibil asupra modului de funcționare al generatorului sincron și, în special, asupra tensiunii la bornele acestuia. Gradul acestei influențe depinde nu numai de mărimea sarcinii generatorului, ci și de natura sarcinii.

Să luăm în considerare mai întâi efectul reacției armăturii unui generator sincron pentru cazul în care sarcina generatorului este pur activă. În acest scop, luăm parte din circuitul unui generator sincron funcțional prezentat în fig. 2, a. Aici este prezentată o porțiune a statorului cu un fir activ pe înfășurarea armăturii și o porțiune a rotorului cu mai mulți poli magnetici.

Orez. 2. Influența reacției armăturii la sarcini: a — activ, b — inductiv, c — natură capacitivă

În momentul în cauză, polul nord al unuia dintre electromagneți care se rotește în sens invers acelor de ceasornic cu rotorul tocmai trece pe sub firul activ al înfășurării statorului.

Forța electromotoare indusă în acest fir este îndreptată spre noi în spatele planului desenului. Și deoarece sarcina generatorului este pur activă, curentul de înfășurare a armăturii Iz este în fază cu forța electromotoare. Prin urmare, în conductorul activ al înfășurării statorului, curentul curge către noi datorită planului desenului.

Liniile de câmp magnetic create de electromagneți sunt prezentate aici în linii continue, iar liniile de câmp magnetic create de curentul firului înfășurării armăturii sunt afișate aici. - o linie punctată.

Mai jos în fig. 2, a prezintă o diagramă vectorială a inducției magnetice a câmpului magnetic rezultat situat deasupra polului nord al electromagnetului. Aici vedem că inducția magnetică V câmpul magnetic principal creat de electromagnet are o direcție radială, iar inducția magnetică VI a câmpului magnetic al curentului înfășurării armăturii este direcționată spre dreapta și perpendicular pe vectorul V.

Inducția magnetică rezultată Tăierea este îndreptată în sus și spre dreapta. Aceasta înseamnă că a apărut o oarecare distorsiune a câmpului magnetic subiacent ca urmare a adăugării câmpurilor magnetice. În stânga Polului Nord s-a slăbit oarecum, iar în dreapta a crescut puțin.

Este ușor de observat că componenta radială a vectorului de inducție magnetică rezultat, de care depinde în mod esențial mărimea forței electromotoare induse a generatorului, nu s-a schimbat. Prin urmare, reacția armăturii sub o sarcină pur activă a generatorului nu afectează mărimea forței electromotoare a generatorului.Aceasta înseamnă că căderea de tensiune pe generatorul cu o sarcină pur activă se datorează exclusiv căderii de tensiune pe rezistența activă a generatorului dacă neglijăm forța electromotoare de auto-inducție de scurgere.

Să presupunem acum că sarcina pe un generator sincron este pur inductivă. În acest caz, curentul Az rămâne în urma forței electromotoare E cu un unghi de π / 2... Aceasta înseamnă că curentul maxim apare în conductor puțin mai târziu decât forța electromotoare maximă. Prin urmare, atunci când curentul din firul înfășurării armăturii atinge valoarea maximă, polul nord N nu se va mai afla sub acest fir, ci se va deplasa puțin mai departe în direcția de rotație a rotorului, așa cum se arată în Fig. 2, b.

În acest caz, liniile magnetice (linii punctate) ale fluxului magnetic al înfășurării armăturii sunt închise prin doi poli opuși adiacenți N și S și sunt direcționate către liniile magnetice ale câmpului magnetic principal al generatorului creat de polii magnetici. Acest lucru duce la faptul că calea magnetică principală nu este doar distorsionată, ci și devine puțin mai slabă.

În fig. 2.6 prezintă o diagramă vectorială a inducțiilor magnetice: câmpul magnetic principal B, câmpul magnetic datorat reacției armăturii Vi și câmpul magnetic rezultat Vres.

Aici vedem că componenta radială a inducției magnetice a câmpului magnetic rezultat a devenit mai mică decât inducția magnetică B a câmpului magnetic principal cu valoarea ΔV. Prin urmare, forța electromotoare indusă este redusă și ea deoarece se datorează componentei radiale a inducției magnetice.Aceasta înseamnă că tensiunea la bornele generatorului, celelalte lucruri fiind egale, va fi mai mică decât tensiunea la o sarcină pur activă a generatorului.

Dacă generatorul are o sarcină pur capacitivă, curentul din el conduce faza forței electromotoare cu un unghi de π / 2... Curentul din firele înfășurării armăturii generatorului atinge acum un maxim mai devreme decât cel electromotor. forța E. Prin urmare, atunci când curentul din firul înfășurării ancorei (Fig. 2, c) atinge valoarea maximă, polul nord al lui N tot nu va găzdui acest fir.

În acest caz, liniile magnetice (linii punctate) ale fluxului magnetic al înfășurării armăturii sunt închise prin doi poli opuși adiacenți N și S și sunt direcționate de-a lungul căii cu liniile magnetice ale câmpului magnetic principal al generatorului. Acest lucru duce la faptul că câmpul magnetic principal al generatorului nu este doar distorsionat, ci și oarecum amplificat.

În fig. 2, c prezintă diagrama vectorială a inducției magnetice: câmpul magnetic principal V, câmpul magnetic datorat reacției armăturii Vya și câmpul magnetic rezultat Bres. Vedem că componenta radială a inducției magnetice a câmpului magnetic rezultat a devenit mai mare decât inducția magnetică B a câmpului magnetic principal cu cantitatea ΔB. Prin urmare, a crescut și forța electromotoare inductivă a generatorului, ceea ce înseamnă că tensiunea la bornele generatorului, toate celelalte condiții fiind aceleași, va deveni mai mare decât tensiunea la o sarcină pur inductivă a generatorului.

După ce a stabilit influența reacției armăturii asupra forței electromotoare a unui generator sincron pentru sarcini de natură diferită, se procedează la clarificarea caracteristicilor externe ale generatorului.Caracteristica externă a unui generator sincron este dependența tensiunii U la bornele sale de sarcina I la turația constantă a rotorului (n = const), curentul de excitație constant (iv = const) și constanța factorului de putere (cos φ = const).

În fig. 3 sunt date caracteristicile exterioare ale unui generator sincron pentru sarcini de natură diferită. Curba 1 exprimă caracteristica externă sub sarcină activă (cos φ = 1,0). În acest caz, tensiunea la borna generatorului scade atunci când sarcina trece de la repaus la nominal în 10-20% din tensiunea fără sarcină a generatorului.

Curba 2 exprimă caracteristica externă cu o sarcină rezistiv-inductivă (cos φ = 0, opt). În acest caz, tensiunea la bornele generatorului scade mai repede din cauza efectului de demagnetizare al reacției armăturii. Când sarcina generatorului se schimbă de la fără sarcină la nominală, tensiunea scade la 20-30% tensiune fără sarcină.

Curba 3 exprimă caracteristica externă a generatorului sincron la o sarcină activ-capacitivă (cos φ = 0,8). În acest caz, tensiunea la borna generatorului crește oarecum datorită acțiunii de magnetizare a reacției armăturii.

Orez. 3. Caracteristicile externe ale alternatorului pentru diferite sarcini: 1 — activ, 2 — inductiv, 3 capacitiv

Caracteristica de control a unui generator sincron

Caracteristica de control a unui generator sincron exprimă dependența curentului de câmp i din generator de sarcina I cu o valoare efectivă constantă a tensiunii la bornele generatorului (U = const), un număr constant de rotații ale rotorului a generatorului pe minut (n = const) și constanța factorului de putere (cos φ = const).

În fig.4 sunt date trei caracteristici de control ale unui generator sincron. Curba 1 se referă la cazul de sarcină activă (deoarece φ = 1).

Orez. 4. Caracteristici de control al alternatorului pentru diferite sarcini: 1 — activ, 2 — inductiv, 3 — capacitiv

Aici vedem că pe măsură ce sarcina I pe generator crește, crește curentul de excitație. Acest lucru este de înțeles, deoarece, odată cu creșterea sarcinii I, scăderea de tensiune a rezistenței active a înfășurării armăturii generatorului crește și este necesară creșterea forței electromotoare E a generatorului prin creșterea curentului de excitație iv. menține tensiunea constantă U .

Curba 2 se referă la cazul unei sarcini activ-inductive la cos φ = 0,8... Această curbă se ridică mai abrupt decât curba 1, datorită demagnetizării reacției armăturii, care reduce mărimea forței electromotoare E și, prin urmare, tensiunea U la bornele generatorului.

Curba 3 se referă la cazul unei sarcini activ-capacitive la cos φ = 0,8. Această curbă arată că, pe măsură ce sarcina generatorului crește, este necesar mai puțin curent de excitație i în generator pentru a menține o tensiune constantă la bornele sale. Acest lucru este de înțeles, deoarece în acest caz reacția armăturii crește fluxul magnetic principal și, prin urmare, contribuie la creșterea forței electromotoare a generatorului și a tensiunii la bornele acestuia.