Принцип дії та робочі характеристики синхронного генератора

Синхронні генератори використовують для отримання трифазного змінного струму. Відомо, що для отримання синусоїдної ЕРС на затискачах статорних обмоток машини, потрібно мати синусоїдний розподіл магнітної індукції у повітряному зазорі між статором і ротором. Для цього полюсним наконечникам СГ надають таку форму, при якій повітряний зазор (магнітний опір) на краях полюсів статора і ротора був би трошки більшим ніж у середині полюсів. Тоді під серединами полюсів магнітна індукція буде мати більше, а з країв менше значення.

В результаті дії постійного струму у роторній обмотці збуджується магнітне поле ротора, яке при обертанні ротора з частотою n ₂ обертається разом з ним. Отже в СГ (СМ), на відміну від АД частота обертання поля статора дорівнює частоті обертання ротора (n ₁ = n ₂ = n). Обертове поле статора індукує у статорних обмотках три синусоїдні ЕРС з частотою f ₁:

,

які зсунуті між собою за фазою на 2p/3 (рис. 4.37).

Діюче значення ЕРС у фазі СГ можна розрахувати за формулою:

де W ₁ – кількість витків фази статора; Ф_{2 m} – амплітуда магнітного потоку, одного полюсу ротора.

У сучасних СГ діюче значення ЕРС складає десятки кВ, а опір статорних обмоток всього десятки Ом. При роботі на холостому ході (без навантаження) коли статорні обмотки СГ з’єднанні у трикутник, може скластися враження, що машина знаходиться у режимі короткого замикання. Між іншим, оскільки фазні ЕРС зсунуті між собою на 120°, то за другим законом Кирхгофа для будь-якого моменту часу маємо:

.

До того ж, при відсутності навантаження струм у обмотках генератора дорівнює нулю.

Потрібно зауважити, що таке вірно і, отже, ніякого короткого замикання немає, але тільки за умов що три статорні обмотки виконані абсолютно однаково, що вони зсунуті між собою по колу статора точно на 120° і що в них діють строго синусоїдні ЕРС. Оскільки ж на практиці виконати всі ці умови проблематично, то обмотки СГ звичайно з’єднують у зірку.

З результатів аналізу формули розрахунку фазної ЕРС випливає, що величину Е можна регулювати тільки шляхом зміни амплітуди магнітного потоку ротора Ф_{2 т} , тобто зміною струму ротора (струму збудження). Залежність ЕРС статора від струму збудження I ₂ при постійній частоті обертання ротора (n ₂ = n ₁ = n = const) і відсутності струму навантаження (статора) I ₁ = 0 називають характеристикою холостого ходу СГ. Її якісний вигляд показаний на рис. 4.38. Фактично, залежність Е = f (I ₂) являє собою криву намагнічування сталі статора. Наявність залишкової електрорушійної сили Е ₀, а також розбіжність між кривими Е (I ₂), які отримують при збільшенні і зменшені I ₂ (на рис. 4.38 показані стрілками) пояснюється залишковим намагнічуванням сталі.

При роботі на холостому ході в магнітній системі СГ діє тільки одне магнітне поле – поле ротора. При підключенні до статорних обмоток навантаження (підключенні СГ до трифазної мережі) в них діятиме струм I ₁. Цей струм створює обертове магнітне поле статора, яке впливає на поле ротора. Вплив поля статора на поле ротора називають реакцією якоря (статора). Величина цього впливу залежить від величини I ₁ і характеру навантаження, тобто кута j₁ зсуву фаз між струмом і напругою навантаження.

Так, у разі виключно активного навантаження j₁ = 0 край полюсу ротора, якій “набігає” на полюс статора, дещо розмагнічується, а край той що “збігає” – підмагнічується. У підсумку магнітне поле ротора спотворюється але величина потоку його полюсу залишається незмінною. При індуктивному і активно-індуктивному навантажені (j₁ ³ 0) поле статора розмагнічує ротор і послабляє магнітний потік його полюсів, а при ємнісному і активно-ємнісному (j₁ £ 0) – навпаки, поле статора підмагнічує ротор.

Таким чином, явище реакції якоря зводиться до зміни магнітного потоку ротору і у кінцевому рахунку призводить до зміни напруги U ₁ на затискачах генератора. Звідси рівняння електричної рівноваги СГ має вид:

,

де x_L – синхронний індуктивний опір машини, як сума індуктивних опорів обмоток статора і ротора; r ₁ – активний опір фази статора.

Залежність напруги U ₁ на затискачах статорних обмоток від струму навантаження I ₁ (статора) при n ₂ = n ₁ = n = const, I ₂ = const, а також cosj₁ = const називають зовнішньою характеристикою СГ (рис. 4.39, а).

З результатів аналізу рис. 4.38 і рис. 4.39, а випливає, що для підтримання постійної напруги на затискачах генератора при змінному навантаженні необхідно змінювати струм ротора. Залежність струму збудження I ₂ (ротора) від струму навантаження I ₁ (статора) при U ₁ = U _1н = const, n ₂ = n ₁ = n = const, а також cosj₁ = const називають регулювальною характеристикою СГ (рис. 4.39, б).

Ступінь збудження СГ – величина струму I ₂, впливає тільки на реактивну не змінюючи активну складову струму статора. На рис. 4.40 наведені так звані U -подібні криві I ₁ = f (I ₂) при Р ₁ = const, які побудовані для Р ₁₀ = 0, Р ₁₁ < Р ₁₂. З наведених даних випливає, що при будь-якому навантажені генератора існує таке значення струму збудження I^¢ ₂ при якому струм I ₁ мінімальний і дорівнює тільки активній складовій. У цьому випадку СГ працює при cosj₁ = 1. Крива I ₁ = f (I ₂), яка відповідає роботі СГ із cosj₁ = 1 при Р ₁ = var на рис. 4.40 показана пунктиром.

Крім викладеного, в результаті взаємодії полів ротора і статора виникає електромагнітний момент генератора –

де с – коефіцієнт, величина якого визначається конструктивними особливостями машини; Ф₂ – магнітний потік полюса поля ротора.

Він спрямований у напряму протилежному напряму обертання ротора і збільшується із збільшенням струму навантаження I ₁. Якщо потужності СГ і турбіни, яка обертає його ротор узгоджені незадовільно, то при певному навантаженні СГ, тобто при М _ем більшому за допустимий, оберти ротора стають меншими і, отже, зменшується частота струму (напруги) споживача (мережі).

Дата добавления: 2014-01-04