11. Работа синхронного генератора в автономном режиме под нагрузкой.

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки якоря подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени относительно друг друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n1, равной частоте вращения ротора n2. Следовательно, магнитные потоки якоря Фа и возбуждения Фв будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Фрез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. Fв обмотки возбуждения и м.д.с. Fа якоря. Однако в синхронной машине (в отличие от асинхронной) м.д.с. обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе.

Работа синхронного генератора на автономную нагрузку. Синхронные генераторы работают в автономном режиме в тех случаях, когда промышленная электрическая сеть имеет недостаточную мощность или вообще отсутствует, например, на удалённых строительных площадках, нефтяных и газовых промыслах, лесозаготовительных пунктах, морских и речных судах, летательных аппаратах и т.п. Напряжение на выводах автономно работающего синхронного генератора U в большой степени зависит от нагрузки и её характера.

Зависимость U(I) при n0=const, Iв=const и cosφ = const называется внешней характеристикой генератора. Семейство внешних характеристик синхронного генератора при различных cos изображено на рис. 4.10. Характеристики показывают, что напряжение генератора при активно – индуктивной нагрузке (>0) довольно резко падает, что объясняется размагничивающим действием реакции якоря, а при активно–ёмкостной нагрузке (<0) изменяется незначительно и даже может увеличиваться, что связано с намагничивающим действием реакции якоря при этой нагрузке. При эксплуатации генератора стабилизацию напряжения осуществляют регуляторами возбуждения, которые при увеличении тока нагрузки I увеличивают поток ротора Ф0, а следовательно, и ЭДС Е0 за счёт увеличения тока Iв возбуждения ротора.

12. Угловые характеристики синхронной машины.

Угловой характеристикой синхронной машины называют зависимость Р1 = f(Θ) при постоянных токе возбуждения, напряжении и частоте сети (If = const, Uc = const, fc = const). Знание этой характеристики позволяет установить ряд важных свойств синхронной машины, определяющих устойчивость ее работы параллельно с сетью.

Найдем эту зависимость для синхронной машины с явнополюсным ротором, полагая, что сопротивление якоря равно нулю (ra= 0) и машина не насыщена.

Активная мощность синхронной машины определяется выражением

Для преобразования этого выражения в искомую зависимость Р1 = f(Θ) воспользуемся векторной диаграммой синхронной машины, включенной в мощную сеть с напряжением Uс = const и fс = const и работающей в режиме генератора с выдачей реактивной мощности в сеть (рис. 5.37).

Согласно векторной диаграмме

φ=ψ-Θ

С учетом этого соотношения выражение для активной мощности преобразуется к виду

Учитывая, что

выразим активную мощность через продольную I1d и поперечную I1q составляющие тока якоря:

Из векторной диаграммы находим выражения для продольной I1d. и подаренной I1q составляющих тока якоря:

Подставляя эти выражения в формулу для активной мощности, получим

Если синхронная машина имеет неявнололюскый ротор (xd = xq), то второе слагаемое обращается в нуль и

Согласно этому выражению угловая характеристика неявнополюсной машины является синусоидальной функцией угла Θ (рис. 5.38). При Θ > 0 мощность Р1 > 0, машина работает в генераторном режиме. При Θ<0 мощность Р1 <0, машина работает в режиме двигателя. При Θ= ±π/2 синхронна машина развивает максимальную по модулю мощность

Р ис.5.38

Величина максимальной мощности Р1m прямо пропорциональна току возбуждения If (определяющему ЭДС Ео) и обратно пропорциональна полному индуктивному сопротивлению якоря по продольной оси xd. При проектировании синхронной машины сопротивление xd выбирают так, чтобы

при номинальном токе возбужденна If = Ifн кратность максимального момента была не менее 1,7,

Выражение для угловой характеристики Р1 = f(0) явнополюсной синхронной машины содержит составляющую, зависящую от sin2Θ (рис. 5.39). Эта составляющая обусловлена магнитной несимметрией ротора и появлением в связи с этим в явнополюсной машине чисто магнитного вращающего момента из-за стремления ротора ориентироваться по оси магнитного поля (подобно магнитной стрелке компаса) Этот эффект существует даже при отсутствии возбуждения (Ео=0).

Рис.5.39

Синхронные машины, работающие без возбуждения, называются реактивными. Они имеют небольшую мощность (несколько киловатт). С целью повышения мощности в них стремятся конструктивными мерами увеличить разницу между сопротивлениями xd и xq, так чтобы отношение

xd/xq =3-4. В синхронных машинах нормального исполнения отношение xd/xq ≈1,5. Поэтому амплитуда второй гармоники мощности не превышает 25% от амплитуды первой гармонической составляющей.