Синхронный генератор

Цель работы: ознакомление с конструкцией синхронной машины, принципом действия синхронного генератора, снятие и изучение характеристик.

1. Описание установки

В качестве синхронного генератора используется 4-полюсная машина с номинальным напряжением (линейное) 220 В при токе возбуждения 4 А. Обмотка якоря синхронного генератора соединена на звезду. Генератор приводится во вращение двигателем постоянного тока. Нагрузкой для генератора является трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, который соединен с генератором постоянного тока.

Таким образом, установка содержит две пары: одна – двигатель постоянного тока и синхронный генератор; другая – трехфазный асинхронный двигатель и генератор постоянного тока.

2. Основные электрические величины

2.1. Принцип действия синхронного генератора основан на законе электромагнитной индукции. Величина ЭДС, наведенная в обмотке якоря, равна:

Е = С_еФn , (6.1)

где С_е – постоянная по ЭДС величина; Ф – Магнитный поток от обмотки возбуждения индуктора.

2.2. ЭДС в фазах А, В и С

Å_À = E_msint , E_B = E_msin(t – 120⁰), E_C = E_msin(t + 120⁰) . (6.2)

Выражения (6.2) представляют симметричную систему ЭДС, каждая из которых изменяется по синусоидальному закону. Форма изменения ЭДС зависит от распределения магнитной индукции в зазоре между якорем и индуктором, т.е. для того, чтобы ЭДС в каждой фазе изменялась по синусоидальному закону, необходимо, чтобы и магнитная индукция изменялась по тому же закону. Синусоидальность распределения магнитной индукции достигается в синхронных генераторах за счет формы наконечников полюсов индуктора (генератор с явно выраженными полюсами) или больших зубцов на индукторе (генератор с неявновыраженными полюсами).

Угол сдвига между ЭДС Е_А, Е_В и Е_С, равный 120⁰, достигается за счет соответствующего расположения фаз обмотки индуктора.

Угловая частота вращения вектора ЭДС  зависит от числа пар полюсов и частоты вращения индуктора. Например, если р = 2, то индуктор должен вращаться с n = 1500 обмин.

2.3. Циклическая частота

, (6.3)

где Р – число пар полюсов индуктора.

В четырехполюсном генераторе (Р = 2) для получения частоты f = 50 Гц необходимо вращать индуктор со скоростью 1500 обмин.

2.4. Фазные напряжения

U_А = Е_А, U_В = Е_В, U_С = Е_С . (6.4)

Данные равенства выполняются в том случае, если падение напряжения в фазах имеет небольшую величину. Тогда U_А= U_В= U_С= U_Ф.

2.5. Линейное напряжение

U_АВ = U_ВС = U_СА = U_Ф . (6.5)

Линейное напряжение больше фазного на , так как обмотка якоря соединена на звезду.

2.6. Мощность, подводимая к генератору:

Р₁ = U_аI_1дв_дв , (6.6)

где U_а – напряжение на зажимах двигателя постоянного тока; I_1дв – ток двигателя; _дв – КПД двигателя (паспортная величина).

Выражение (6.6) следует из того, что приводом синхронного генератора является двигатель постоянного тока. Поэтому мощность, снимаемая с вала двигателя (Р_2дв = U_аI_1дв_дв), равна мощности на входе генератора, т.е. подводимой мощности Р_1­. С увеличением нагрузки на генераторе растет величина I_1дв. При этом напряжение на зажимах двигателя необходимо поддерживать неизменной величиной.

2.7. Мощность, отдаваемая синхронным генератором:

Р₂ = Р_А + Р_В + Р_С , (6.7)

где Р_А, Р_В, Р_С – мощности, измеренные комплектом К – 505 в фазах синхронного генератора.

2.8. Ток синхронного генератора

, (6.8)

где I_А, I_В, I_С – токи, измеренные комплектом К – 505 в фазах синхронного генератора.

2.9. КПД синхронного генератора

 = . (6.9)

3. Домашнее задание

3.1. Изучить (по учебнику и конспекту лекций) устройство синхронных машин, способы и основные схемы возбуждения синхронного генератора, электромагнитные процессы, проходящие в нем, принцип действия синхронного генератора.

3.2. Ознакомиться со стендом, паспортными данными синхронного генератора, измерительным комплектом К – 505.

3.3. Подготовить бланк отчета, в котором:

а) начертить (схематично) магнитную цепь синхронной машины;

б) начертить принципиальную схему включения синхронного генератора;

в) подготовить таблицы для занесения измеренных и расчетных данных;

г) начертить примерный вид характеристики КПД синхронного генератора.

4. Лабораторное занятие

4.1. Собрать схему цепей двигателя постоянного тока и синхронного генератора согласно рис. 6.1. Двигатель постоянного тока (ДПТ) приводит во вращение индуктор синхронного генератора. Нагрузкой для синхронного генератора является пара машин – трехфазный асинхронный двигатель (АД) и генератор постоянного тока (ГПТ). Упрощенный вариант схемы может не содержать ГПТ.

4.2. Проверить исходное состояние схемы:

а) пусковой реостат R_n ДПТ должен быть полностью введен;

б) регулировочный реостат R_в2 в цепи возбуждения ДПТ должен быть полностью выведен (движок реостата в крайнем верхнем положении);

в) регулировочный реостат R_вг в цепи возбуждения синхронного генератора (СГ) должен быть полностью введен (движок реостата в крайнем правом положении);

г) регулировочный реостат R_в1 в цепи возбуждения ГПТ должен быть полностью введен (движок реостата в крайнем нижнем положении);

д) нагрузочные реостаты R_н1,…, R_н4 должны быть отключены выключателями S₁,…, S₄.

Рис.6.1. Принципиальная схема установки синхронного генератора

4.3. Произвести пуск ДПТ:

а) нажать кнопку Вкл автоматического включателя АП – 25 для подачи постоянного напряжения на ДПТ;

б) плавно вывести рукоятку пускового реостата R_n в положение ход;

4.4. Изучить принцип действия СГ:

а) изменяя частоту вращения ДПТ, добиться на СГ частоты напряжения 50 Гц;

б) с помощью регулировочного реостата R_вг получить напряжение на клеммах СГ 220В;

в) с помощью измерительного комплекта К – 505 проверить чередование фаз (указатель должен вращаться по часовой стрелке);

г) с помощью осциллографа проверить синусоидальность изменения напряжения на клеммах СГ.

4.5. Снять характеристику холостого хода синхронного генератора

UАВ = f(IВ)	I1 = 0	, (6.10)
	N = const

где U_АВ –линейное напряжение на клеммах А и В генератора при х.х.; I_В – ток возбуждения генератора; I₁ – ток нагрузки генератора; n – частота вращения генератора.

При снятии характеристики х.х.:

а) произвести первый замер при I_В = 0 (питание СГ отключено);

б) включить питание СГ, увеличивая ток возбуждения I_В с помощью регулировочного реостата I_вг, произвести 5 – 6 замеров (напряжение U_АВ в последнем замере не должно превышать 220 В);

в) уменьшая ток возбуждения от максимального значения до нуля, снять нисходящую ветвь характеристики. Данные занести в табл. 6.1

Таблица 6.1

№ пп	Характеристика х.х.
	Восходящая ветвь		Нисходящая ветвь
	UAB, B	IB, A	UAB, B	IB, A

4.6. Произвести пуск АД:

а) добиться показания Hz 50 Гц и U_АВ = 220В;

б) нажать кнопку Вкл АП – 25 для подачи напряжения на АД.

4.7. Снять рабочие характеристики СГ:

а) снять возбуждение ГПТ и произвести первый замер (х.х. СГ). Данные занести в табл. 6.1;

б) возбудить ГПТ и, изменяя с помощью выключателей S₁,…, S₄ нагрузку R_н1,…, R_н4, сделать еще четыре замера. Данные занести в табл. 6.1.

4.8. Отключить нагрузку R_н1,…, R_н4, асинхронный двигатель АД и двигатель постоянного тока ДПТ.

4.9. Привести в исходное состояние регулировочные реостаты R_В1 и R_В2 (движок реостата в крайнем верхнем положении), R_вг (движок реостата в крайнем правом положении) и пусковой реостат R_п (ручка реостата в положении стоп).

5. Обработка результатов

1. По результатам пункта 4.5 (а,б,в) построить восходящую, нисходящую ветви и характеристику х.х. в осях: напряжение на зажимах синхронного генератора U_АВ и ток возбуждения I_В.

2. По результатам пунктов 4.6 и 4.7 (а,б)построить рабочие характеристики СГ в осях: подводимая мощность Р₁, ток генератора I₁, коэффициент мощности cos , КПД и отдаваемая мощность Р₂, т.е. Р₁, I₁, cos ,  = f(Р₂) при неизменной частоте вращения ДПТ и напряжении на зажимах СГ U_АВ = 220 В. Все характеристики строятся в масштабе.

6. Контрольные вопросы

1. Назначение основных частей СГ.

2. Принцип действия СГ.

3. Способы возбуждения синхронных машин.

4. Принцип обратимости синхронных машин.

5. Для чего необходимо знать рабочие характеристики и х.х.?

6. Чем отличаются СГ с явновыраженными полюсами от СГ с неявновыраженными полюсами?

7. Способы пуска СГ.

8. Почему КПД СГ не равен единице?

9. От чего зависит cos ?

10. Можно ли использовать СГ в качестве преобразователя частоты?

Литература

[1, § 15.1 – 15.4, 15.7; 2, § 13.1; 3, § 32.1-32.5].