Tryby pracy prądnic synchronicznych, charakterystyki pracy prądnic

Głównymi wielkościami charakteryzującymi generator synchroniczny są: napięcie na zaciskach U, ładowanie I, moc pozorna P (kVa), obroty wirnika na minutę n, współczynnik mocy cos φ.

Najważniejsze cechy generatora synchronicznego to:

• charakterystyka biegu jałowego,

• cecha zewnętrzna,

• charakterystyka regulująca.

Charakterystyka biegu jałowego generatora synchronicznego

Siła elektromotoryczna generatora jest proporcjonalna do wielkości strumienia magnetycznego Ф wytworzonego przez prąd wzbudzenia iv i liczbę obrotów n wirnik generatora na minutę:

mi = cnF,

gdzie s — współczynnik proporcjonalności.

Chociaż wielkość siły elektromotorycznej generatora synchronicznego zależy od liczby obrotów wirnika, nie można jej regulować poprzez zmianę prędkości obrotowej wirnika, ponieważ częstotliwość siły elektromotorycznej jest związana z liczbą obrotów wirnika generatora, które muszą być utrzymywane na stałym poziomie.

Dlatego pozostaje jedyny sposób na dostosowanie wielkości siły elektromotorycznej generatora synchronicznego — jest to zmiana głównego strumienia magnetycznego F. To ostatnie jest zwykle osiągane poprzez regulację prądu wzbudzenia iw za pomocą reostatu wprowadzonego w obwód wzbudzenia generatora. W przypadku zasilania cewki wzbudzenia prądem z generatora prądu stałego umieszczonego na tym samym wale z tym generatorem synchronicznym, regulacja prądu wzbudzenia generatora synchronicznego odbywa się poprzez zmianę napięcia na zaciskach generatora prądu stałego.

Zależność siły elektromotorycznej E generatora synchronicznego od prądu wzbudzenia iw przy stałej nominalnej prędkości obrotowej wirnika (n = const) i obciążeniu równym zeru (1 = 0) nazywamy charakterystyką biegu jałowego generatora.

Rysunek 1 przedstawia charakterystykę generatora bez obciążenia. Tutaj rosnąca gałąź 1 krzywej jest usuwana, gdy prąd iv wzrasta od zera do ivm, a opadająca gałąź 2 krzywej — gdy iv zmienia się z ivm na iv = 0.

Ryż. 1. Charakterystyka biegu jałowego generatora synchronicznego

Rozbieżność między wznoszącą się 1 i opadającą 2 gałęzią jest wyjaśniona przez magnetyzm szczątkowy. Im większy obszar ograniczony tymi gałęziami, tym większe straty energii w stali generatora synchronicznego z odwracaniem magnesowania.

Stromość narastania krzywej biegu jałowego w jej początkowym odcinku prostym charakteryzuje obwód magnetyczny generatora synchronicznego. Im mniejsze natężenie przepływu przy amperoobrocie w szczelinach powietrznych generatora, tym bardziej stroma będzie charakterystyka biegu jałowego generatora w innych warunkach.

Charakterystyka zewnętrzna generatora

Napięcie na zaciskach obciążonego generatora synchronicznego zależy od siły elektromotorycznej E generatora, spadku napięcia na rezystancji czynnej jego uzwojenia stojana, spadku napięcia spowodowanego samoindukcyjną dyssypacją siły elektromotorycznej Es oraz spadku napięcia spowodowanego reakcja twornika.

Wiadomo, że dyssypatywna siła elektromotoryczna Es zależy od dyssypatywnego strumienia magnetycznego Fc, który nie przenika przez bieguny magnetyczne wirnika generatora, a zatem nie zmienia stopnia namagnesowania generatora. Dyssypacyjna siła elektromotoryczna Es generatora jest stosunkowo mała i dlatego można ją praktycznie pominąć.W związku z tym tę część siły elektromotorycznej generatora, która kompensuje dyssypacyjną siłę elektromotoryczną Es, można uznać za praktycznie równą zeru .

Odpowiedź twornika ma bardziej zauważalny wpływ na tryb pracy generatora synchronicznego, aw szczególności na napięcie na jego zaciskach. Stopień tego wpływu zależy nie tylko od wielkości obciążenia generatora, ale także od charakteru obciążenia.

Rozważmy najpierw wpływ reakcji twornika generatora synchronicznego dla przypadku, gdy obciążenie generatora jest czysto aktywne. W tym celu bierzemy część obwodu pracującego generatora synchronicznego pokazanego na ryc. 2, A. Pokazano tutaj część stojana z jednym aktywnym przewodem na uzwojeniu twornika oraz część wirnika z kilkoma jego biegunami magnetycznymi.

Ryż. 2. Wpływ reakcji twornika na obciążenia: a — czynne, b — indukcyjne, c — pojemnościowe

W omawianym momencie biegun północny jednego z elektromagnesów obracających się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wraz z wirnikiem właśnie przechodzi pod aktywnym przewodem uzwojenia stojana.

Siła elektromotoryczna indukowana w tym przewodzie jest skierowana w naszą stronę za płaszczyzną rysunku. A ponieważ obciążenie generatora jest czysto aktywne, prąd uzwojenia twornika Iz jest w fazie z siłą elektromotoryczną. Dlatego w aktywnym przewodzie uzwojenia stojana prąd płynie w naszą stronę ze względu na płaszczyznę rysunku.

Linie pola magnetycznego wytwarzane przez elektromagnesy są tutaj pokazane liniami ciągłymi, a linie pola magnetycznego wytwarzane przez prąd drutu uzwojenia twornika są tutaj pokazane. - linia przerywana.

Poniżej na ryc. 2, a pokazuje wykres wektorowy indukcji magnetycznej wynikowego pola magnetycznego znajdującego się nad biegunem północnym elektromagnesu. Tutaj widzimy, że indukcja magnetyczna V główne pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes ma kierunek promieniowy, a indukcja magnetyczna VI pola magnetycznego prądu uzwojenia twornika jest skierowana w prawo i prostopadle do wektora V.

Wynikająca z tego indukcja magnetyczna Cięcie jest skierowane w górę iw prawo. Oznacza to, że w wyniku dodania pól magnetycznych nastąpiło pewne zniekształcenie podstawowego pola magnetycznego. Na lewo od bieguna północnego nieco osłabł, a na prawo nieco wzrósł.

Łatwo zauważyć, że składowa promieniowa wynikowego wektora indukcji magnetycznej, od której zasadniczo zależy wielkość indukowanej siły elektromotorycznej generatora, nie uległa zmianie. Dlatego reakcja twornika pod czysto aktywnym obciążeniem generatora nie wpływa na wielkość siły elektromotorycznej generatora.Oznacza to, że spadek napięcia na generatorze przy czysto aktywnym obciążeniu jest spowodowany wyłącznie spadkiem napięcia na czynnej rezystancji generatora, jeśli zaniedbamy siłę elektromotoryczną samoindukcji upływu.

Załóżmy teraz, że obciążenie generatora synchronicznego jest czysto indukcyjne. W tym przypadku prąd Az pozostaje w tyle za siłą elektromotoryczną E o kąt π / 2... Oznacza to, że maksymalny prąd pojawia się w przewodniku nieco później niż maksymalna siła elektromotoryczna. Dlatego, gdy prąd w przewodzie uzwojenia twornika osiągnie swoją maksymalną wartość, biegun północny N nie będzie już znajdował się pod tym przewodem, ale przesunie się nieco dalej w kierunku obrotu wirnika, jak pokazano na ryc. 2, b.

W tym przypadku linie magnetyczne (linie przerywane) strumienia magnetycznego uzwojenia twornika są zamknięte przez dwa sąsiednie przeciwne bieguny N i S i są kierowane do linii magnetycznych głównego pola magnetycznego generatora wytwarzanego przez bieguny magnetyczne. Prowadzi to do tego, że główna ścieżka magnetyczna jest nie tylko zniekształcona, ale także nieco słabsza.

na ryc. 2.6 przedstawia wykres wektorowy indukcji magnetycznych: głównego pola magnetycznego B, pola magnetycznego wywołanego reakcją twornika Vi i wypadkowego pola magnetycznego Vres.

Widzimy tutaj, że składowa promieniowa indukcji magnetycznej wynikowego pola magnetycznego stała się mniejsza niż indukcja magnetyczna B głównego pola magnetycznego o wartość ΔV. Dlatego indukowana siła elektromotoryczna jest również zmniejszona, ponieważ jest spowodowana składową promieniową indukcji magnetycznej.Oznacza to, że napięcie na zaciskach generatora, przy innych parametrach równych, będzie mniejsze niż napięcie przy czysto aktywnym obciążeniu generatora.

Jeśli generator ma obciążenie czysto pojemnościowe, prąd w nim prowadzi fazę siły elektromotorycznej o kąt π / 2... Prąd w przewodach uzwojenia twornika generatora osiąga teraz maksimum wcześniej niż elektromotoryczny siła E. Dlatego, gdy prąd w przewodzie uzwojenia kotwicy (ryc. 2, c) osiągnie maksymalną wartość, biegun północny N nadal nie pomieści tego drutu.

W tym przypadku linie magnetyczne (linie przerywane) strumienia magnetycznego uzwojenia twornika są zamknięte przez dwa sąsiednie przeciwne bieguny N i S i są kierowane wzdłuż ścieżki z liniami magnetycznymi głównego pola magnetycznego generatora. Prowadzi to do tego, że główne pole magnetyczne generatora jest nie tylko zniekształcone, ale także nieco wzmocnione.

na ryc. 2, c przedstawia schemat wektorowy indukcji magnetycznej: główne pole magnetyczne V, pole magnetyczne wywołane reakcją twornika Vya i wynikowe pole magnetyczne Bres. Widzimy, że składowa promieniowa indukcji magnetycznej wynikowego pola magnetycznego stała się większa niż indukcja magnetyczna B głównego pola magnetycznego o wielkość ΔB. W związku z tym wzrosła również indukcyjna siła elektromotoryczna generatora, co oznacza, że ​​napięcie na zaciskach generatora, przy niezmienionych wszystkich innych warunkach, stanie się większe niż napięcie przy czysto indukcyjnym obciążeniu generatora.

Po ustaleniu wpływu reakcji twornika na siłę elektromotoryczną generatora synchronicznego dla obciążeń o różnym charakterze przystępujemy do wyjaśnienia cech zewnętrznych generatora.Cechą zewnętrzną generatora synchronicznego jest zależność napięcia U na jego zaciskach od obciążenia I przy stałej prędkości wirnika (n = const), stałym prądzie wzbudzenia (iv = const) i stałości współczynnika mocy (cos φ = stała).

na ryc. 3 podano charakterystyki zewnętrzne generatora synchronicznego dla obciążeń o różnym charakterze. Krzywa 1 przedstawia charakterystykę zewnętrzną pod obciążeniem czynnym (cos φ = 1,0). W takim przypadku napięcie na zaciskach generatora spada, gdy obciążenie zmienia się z biegu jałowego na znamionowe w granicach 10 — 20% napięcia generatora bez obciążenia.

Krzywa 2 przedstawia charakterystykę zewnętrzną przy obciążeniu rezystancyjno-indukcyjnym (cos φ = 0, osiem). W tym przypadku napięcie na zaciskach generatora spada szybciej z powodu rozmagnesowującego efektu reakcji twornika. Gdy obciążenie generatora zmienia się z biegu jałowego na znamionowe, napięcie spada do 20-30% napięcia biegu jałowego.

Krzywa 3 przedstawia charakterystykę zewnętrzną generatora synchronicznego przy obciążeniu czynno-pojemnościowym (cos φ = 0,8). W tym przypadku napięcie na zaciskach generatora nieco wzrasta z powodu magnesującego działania reakcji twornika.

Ryż. 3. Charakterystyka zewnętrzna alternatora dla różnych obciążeń: 1 — czynna, 2 — indukcyjna, 3 pojemnościowa

Charakterystyka sterowania generatora synchronicznego

Charakterystyka sterowania generatora synchronicznego wyraża zależność prądu pola i w generatorze od obciążenia I przy stałej skutecznej wartości napięcia na zaciskach generatora (U = const), stałej liczbie obrotów wirnika generatora na minutę (n = const) i stałość współczynnika mocy (cos φ = const).

na ryc.4 podano trzy charakterystyki regulacji generatora synchronicznego. Krzywa 1 odnosi się do aktywnego przypadku obciążenia (ponieważ φ = 1).

Ryż. 4. Charakterystyki sterowania alternatora dla różnych obciążeń: 1 — czynna, 2 — indukcyjna, 3 — pojemnościowa

Tutaj widzimy, że wraz ze wzrostem obciążenia I generatora wzrasta prąd wzbudzenia. Jest to zrozumiałe, ponieważ wraz ze wzrostem obciążenia I wzrasta spadek napięcia czynnej rezystancji uzwojenia twornika generatora i konieczne jest zwiększenie siły elektromotorycznej E generatora poprzez zwiększenie prądu wzbudzenia iv. utrzymywać stałe napięcie U.

Krzywa 2 odnosi się do przypadku obciążenia czynno-indukcyjnego przy cos φ = 0,8... Ta krzywa wznosi się bardziej stromo niż krzywa 1, ze względu na rozmagnesowanie reakcji twornika, co zmniejsza wielkość siły elektromotorycznej E, a tym samym napięcie U na zaciskach generatora.

Krzywa 3 odnosi się do przypadku obciążenia czynno-pojemnościowego przy cos φ = 0,8. Ta krzywa pokazuje, że wraz ze wzrostem obciążenia generatora wymagany jest mniejszy prąd wzbudzenia i w generatorze, aby utrzymać stałe napięcie na jego zaciskach. Jest to zrozumiałe, ponieważ w tym przypadku reakcja twornika zwiększa główny strumień magnetyczny, a tym samym przyczynia się do wzrostu siły elektromotorycznej generatora i napięcia na jego zaciskach.