3111

Таким образом, активная мощность, отдаваемая синхронным генератором при постоянном напряжении на зажимах генератора, токе возбуждения и частоте, пропорциональна sinθ, поэтому угол θ называется также углом нагрузки генератора.

При сопоставлении синхронных машин различного конструктивного исполнения, напряжения и мощности многие расчеты и построения удобно вести в относительных единицах. В этой системе единиц каждая величина характеризуется ее отношением к соответствующему базисному значению. За базисное значение тока якоря принимается его номинальное фазное значение IН; за базисную величину напряжения обмотки якоря – номинальное фазное значение UН; за базисную мощность – полная мощность обмотки якоря машины при номинальном нагрузочном режиме SБ = SН = mUНIН; за базисный момент – момент, определяемый по базисной мощности и синхронной частоте вращения MБ = SБ/2πn; за базисное сопротивление цепи принимают величину ZБ = UН/IН; за базисный ток возбуждения – такое его значение IВ0, при котором напряжение холостого хода (при номинальной частоте вращения) равно номинальному.

Относительные величины обозначают звездочкой:

I* = I/IН, U * = U /UH , IB* = IB / IBO , X* = X/ZБ,

P* = P/SБ, Q* = Q/SБ, M* = M/MБ.

При составлении отчетов по результатам исследований синхронных машин все расчеты и построения предлагается выполнять в относительных единицах.

3. ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ

На электрических станциях обычно устанавливается несколько генераторов, работающих совместно. Это необходимо, во-первых, потому, что график нагрузки станции сильно колеблется в течение суток и по временам года; во-вторых, мощность современных станций настолько велика, что изготовление генераторов такой мощности невозможно.

Параллельное включение двух источников электрической энергии необходимо производить так, чтобы напряжение одного источника в любой момент времени полностью уравновешивалось напряжением другого источника.

Включение генераторов в общую сеть может быть выполнено способом точной синхронизации и способом самосинхронизации.

При включении синхронного генератора параллельно с работающим генератором или сетью переменного тока необходимо, чтобы ЭДС генератора E0 в любой момент времени была равной по величине напряжению сети Uc и направлена навстречу ему. Практически это сводится к выполнению следующих условий синхронизации:

11

1)равенство ЭДС подключаемого генератора и сети E0 = Uc;

2)равенство частот генератора и сети fг = fс;

3)одинаковый порядок следования фаз на зажимах рубильника со стороны генератора и сети;

4)векторы ЭДС генератора E0 и напряжения сети Uс в момент включения должны

быть в противофазе, т. е. сдвинуты на 180° относительно друг друга.

Выполнение первого условия обеспечивается изменением тока возбуждения, а контроль – вольтметром. Равенство частот и сдвиг ЭДС и напряжения по фазе на 180° достигается регулированием скорости вращения ротора. Выполнение 2-го, 3-го и 4-го условий можно контролировать с помощью синхроскопа.

Простейшим синхроскопом является система трех электрических ламп, включаемых на «погасание» или на «круговой огонь».

4. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ

Рассматривая работу синхронного генератора параллельно с сетью, предполагаем, что сеть обладает бесконечно большой мощностью, т. е. напряжение сети Uc и ее частота fc не меняются при включении синхронного генератора.

После выполнения всех условий синхронизации включают генератор в сеть. Векторная диаграмма для этого момента показана на рис. 8, а.

Рис. 8. Векторные диаграммы при изменении нагрузки генератора:

а– режим холостого хода; б – индуктивная нагрузка; в – емкостная нагрузка;

г– режим активной нагрузки

Напряжение Uc полностью компенсируется ЭДС генератора Е0. Генератор работает в режиме холостого хода. При этом E0 = Uг. Напряжение на зажимах генератора Uг всегда равно напряжению сети Uc и противоположно ему по направлению.

Увеличение тока возбуждения Iв вызовет увеличение ЭДС E0 (рис. 8, б). Сумма напряжения Uc и ЭДС E0 даст напряжение U в обмотке статора генератора, а напряжение

12

на зажимах генератора Uг останется равным напряжению сети. Вследствие появившегося напряжения U в обмотке статора возникает ток I1.

Ток I1 будет отставать от напряжения U на угол ϕ ≈ π2 , так как сопротивление об-

мотки статора можно считать почти чисто индуктивным. В этом случае генератор отдает в сеть только реактивную мощность. Активная мощность (уравнение (4)) равна нулю, так

как ток I1 отстает от напряжения генератора на угол ϕ = π2 .

Уменьшение тока возбуждения Iв вызовет соответствующее уменьшение ЭДС E0 (рис. 8, в); напряжение U оказывается направленным в обратную сторону. Угол между

током статора I1 и напряжением генератора Uг тоже равен ϕ ≈ π2 , но ток теперь опережает

напряжение. Генератор отдает в сеть только реактивную мощность, но уже с опережающим током.

Чтобы генератор отдавал в сеть активную мощность, необходимо воздействовать на первичный двигатель. При увеличении момента вращения, приложенного к валу ротора генератора, в первый момент произойдет некоторое ускорение вращения ротора. Ротор как бы повернется относительно поля статора на некоторый угол θ, а следовательно, повернется на тот же угол θ и вектор ЭДС E0 (рис. 8, г).

В этом случае между током I1 и напряжением генератора Uг угол сдвига фаз ϕ меньше π2 , и генератор будет отдавать в сеть активную мощность

P = 3UгI1cosϕ > 0.

(7)

Из сопоставления рисунков 4 и 8, г видно, что U = I1xc, т. е. векторные диаграммы генератора, работающего на сеть и автономного идентичны. Поэтому можно считать, что

активная мощность, отдаваемая генератором в сеть, равна:
P = 3Uг	E0	sinθ = ksinθ .	(8)
	xc

Электромагнитная мощность генератора, т. е. мощность, передаваемая от ротора к статору через магнитный поток, будет равна:

Pэм = P + pм1 .

Полезная мощность, отдаваемая генератором в сеть (уравнение (4)):

P = 3UI1cosϕ.

13

Пренебрегая потерями в меди статора pм1, имеем
P	≈ P = 3U	г	I cosϕ = 3	UгE0	sinθ .	(9)
эм			1	xc

Электромагнитный вращающий момент равен, кГ·м:

M	эм	=	Pэм		=	3			UгE0	sinθ = k sinθ .	(10)
			9,81 ω			9,81 ω
									xс

Зависимости Pэм = f(θ) и Mэм = f(θ) представляют собой угловые характеристики синхронного генератора (рис. 9).

Рис. 9. Угловая характеристика синхронной машины

Электромагнитный момент Мэм уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, являясь тормозным моментом генератора. При возрастании последнего увеличивается угол θ, что приводит к увеличению электромагнитного момента. Если вращающий момент первичного двигателя превысит наибольший электромагнитный момент Мэм max, то генератор выпадет из синхронизма (θ ≥ 90 эл. град.). Работа при значительных углах θ ненадежна, у машины появляется склонность к колебаниям ротора, поэтому в режиме работы с номинальной нагрузкой θн = 25÷35 эл. град.

Отношение максимальной электромагнитной мощности к номинальной называется перегрузочной способностью синхронной машины:

14

P

3

UгE0

sin90o

1

x

c

k

п

=

эм. max

=

=

≈ 2 .

(11)

P

UгE0

sinθ

3

sinθ

н

эм. ном

xc

Возможность устойчивой параллельной работы большого числа синхронных генераторов в энергосистемах объясняется наличием синхронизирующей мощности и момента. При случайном замедлении или ускорении ротора произойдет изменение угла θ, что вызовет (уравнения (7) и (8)) соответствующие изменения электромагнитной мощности и момента. Возникающий дополнительный момент (синхронизирующий) по правилу Ленца всегда действует так, чтобы устранить причину, нарушающую работу машины. Влияние синхронизирующего момента тем больше, чем меньше угол θ. Поэтому синхронная машина при малых углах θ работает более устойчиво.

5. ВЛИЯНИЕ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ НА РАБОТУ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Изменение тока возбуждения синхронной машины, работающей параллельно с сетью при постоянной нагрузке, вызывает соответствующее изменение тока в статоре, а также угла ϕ между током статора и напряжением.

При работе синхронной машины в режиме генератора мощность, отдаваемая генератором в сеть (уравнение (8)), равна:

P = 3UгI1cosϕ = 3UxгE0 sinθ .

c

Если Р = const, то при Uг = const, I1cosϕ = const и E0sinθ = const.

Упрощенная векторная диаграмма синхронного генератора (рис. 10) дает возможность проследить изменение тока в статоре и угла ϕ с изменением тока возбуждения.

Сплошными линиями на рис. 10 показана векторная диаграмма при определенном значении Iв. Этому току возбуждения соответствует ЭДС статора Е0 и ток I1, который опережает напряжение генератора Uг на угол ϕ. При увеличении тока возбуждения увеличится магнитный поток ротора, и ЭДС статора возрастет до значения E0′. Произведение E0′sinθ должно, как указывалось выше, оставаться постоянным, следовательно, при изменении ЭДС конец вектора E0′ будет перемещаться по прямой а – а′, параллельно вектору напряжения Uс.

Изменение ЭДС вызовет изменение U′ = Uc + E0′, что, в свою очередь, приведет к изменению величины и направления вектора тока до значения, равного I1′. Произведение I1′cosϕ по условию тоже остается постоянным, поэтому при изменении вектора тока его конец будет перемещаться по прямой в – в′, перпендикулярной к направлению вектора напряжения Uс.

15

На рис. 10 пунктиром показана векторная диаграмма для тока возбуждения Iв′ > Iв. Из диаграммы видно, что E0′ > E0, а ток I1′ теперь уже отстает от напряжения Uг на угол ϕ′. При плавном изменении тока возбуждения ток статора и угол ϕ, очевидно, будут изменять свои значения тоже плавно.

Зависимость I1 = f(Iв) при U = const и P = const носит название U-образной характеристики синхронного генератора (рис. 11).

Рис. 10. Векторные диаграммы синхронного гене-	Рис. 11. U-образные характеристики синхронного
ратора при изменении тока возбуждения	генератора

U-образная характеристика при мощности P′ > P располагается выше, так как с возрастанием мощности увеличивается активная составляющая тока I1cosϕ.

Программа работы

1.Ручноеподключениексетисинхронногогенератораметодомточнойсинхронизации.

2.Ручноеподключение к сети синхронного генератора методом самосинхронизации.

3.Определение характеристики холостого хода E = f(IB) синхронного генератора.

4.Определение внешней U = f(I), регулировочной IВ = f(I) и нагрузочной U = f(IВ) характеристик синхронного генератора.

5.ОпределениехарактеристикикороткогозамыканияI = f(IВ) синхронногогенератора.

6.Определение угловых характеристик P = f(θ), Q = f(θ), U = f(θ) синхронного генератора.

7.Определение U-образной характеристики I = f(IВ) синхронного генератора.

8.Регистрация и отображение тока короткого замыкания на выходах статорной обмотки трехфазного синхронного генератора.

16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

РУЧНОЕ ПОДКЛЮЧЕНИЕ К СЕТИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА МЕТОДОМ ТОЧНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

Цель работы: ручной ввод генератора в синхронный режим работы с сетью.

Задание на подготовку к работе:

1.Изучить теоретическую часть работы по одному из учебников и описанию этой лабораторной работы.

2.Ответить на контрольные вопросы.

3.Ознакомиться с расположением и назначением ручек управления и переключателей стенда (перечень аппаратуры стенда см. в табл. 1).

1.Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник питания	201	400 В ~; 1,6 А
G2	Источник питания двигателя	206	0…220 В ~; 5 А (якорь)
	постоянного тока		220 В – ; 1 А (возбуждение)
G3	Возбудитель машиныпеременноготока	209	0…40 В – ; 8 А
G4	Машина переменного тока	102.1	50 Вт; 230 В ~ ; 1500 мин-1
G5	Преобразовательугловыхперемещений	104	0 … 6000 мин-1
М1	Машина постоянного тока	101.1	80 Вт; 220 В; 0,76 А (якорь)
			220 В (возбуждение)
А1	Блок однофазных трансформаторов	325.1	3×80 В·А; 240, 230, 220, 133, 127,
			115/240, 230, 220, 133, 127, 115 В
А2	Блок синхронизации	319	400 В~; 16 А; 3 индикаторныелампы;
			синхроноскоп
А3	Реостат для цепи ротора машины	307	3 × 0 … 20 Ом; 2 А
	переменного тока
P1	Указатель частоты вращения	506.1	2000 … 0 … 2000 мин-1
Р2	Измеритель напряжений и частот	504	0…500 В ~; 45…55 Гц, 220 В ~

Описание электрической схемы соединений (рис. 12)

Обмотка возбуждения машины постоянного тока, используемой как двигатель М1 с независимым возбуждением, присоединена к нерегулируемому выходу «ВОЗБУЖДЕНИЕ» источника G2, к нерегулируемому выходу «ЯКОРЬ» которого присоединена якорная цепь машины. Вход питания источника G2 присоединен с помощью с помощью электрического шнура к одной из двух розеток «220 В ~» трехфазного источника G1.

Обмотка ротора машины переменного тока, используемой как генератор G4, через гнезда F1, F2 присоединена к выходу возбудителя G3, вход питания которого присоединен с помощью электрического шнура к одной из двух розеток «220 В ~» трехфазного источника G1.

17

Рис. 12. Электрическая схема соединений

Фазы статорной обмотки генератора G4 через блок синхронизации A2 и блок однофазных трансформаторов А1, включенных по схеме Ұ/Ұ с напряжениями 230/400 В, присоединены к выходу трехфазного источника G1.

Частоту вращения генератора G4 можно контролировать с помощью указателя Р1, соединенного с выходом преобразователя угловых перемещений G5.

Величину и частоту напряжения генератора G4 и сети можно контролировать с помощью измерителя напряжений и частот P2.

Указания по проведению эксперимента

1.Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

2.Соберите электрическую схему соединений тепловой защиты машины переменного тока (рис. 13).

Рис. 13. Электрическая схема соединений тепловой защиты машины переменного тока

18

3.Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G1.

4.Соединитеаппаратурувсоответствиисэлектрическойсхемойсоединений(рис. 12).

5.Переключатели режима работы источника G2, возбудителя G3 и блока синхронизации А2 переведите в положение «РУЧН».

6.Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

7.Установите переключателями в блоке А1 номинальные напряжения трансформаторов: первичные – 127 В, вторичные 230 В.

8.Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

9.Включите выключатель «СЕТЬ» и нажмите кнопку «ВКЛ» источника G2.

10.Вращая регулировочную рукоятку источника G2, установите частоту вращения двигателя М1 (генератора G4) 1500 мин-1.

11.Включите выключатель «СЕТЬ» и нажмите кнопку «ВКЛ» возбудителя G3.

12.Вращая регулировочную рукоятку возбудителя G3, установите напряжение между фазами(линейное) генератораG4 равнымнапряжениюмеждуодноименнымифазамисети.

13.Включите выключатель «СЕТЬ» блока синхронизации А2.

14.Обеспечьте условия синхронизации согласно табл. 2, после чего нажмите на кнопку «ВКЛ» блока синхронизации А2, подключите генератор G4 к сети.

15.Убедитесь, что генератор G4 вошел в режим синхронной работы с сетью, о чем должно свидетельствовать постоянство напряжения между фазами генератора G4.

16.По завершении эксперимента нажмите кнопку «ОТКЛ» блока синхронизации А2, поверните регулировочные рукоятки сначала у возбудителя G3, а затем у источника G2 против часовой стрелки до упора, отключите выключатель «СЕТЬ» возбудителя G3, источника G2 и блока синхронизации А2, отключите источник G1 нажатием на кнопкугриб и последующим отключением ключа-выключателя.

				2. Условия синхронизации
						Критерий
Условие		Средство			Критерий			Рекомендации
		контроля		выполнения условия		невыполнения		по выполнению
						условия			условия
Равенство	на-	Вольтметры	со	Напряжения со сто-		Напряжения	со	Регулировать на-
пряжений	син-	стороны	син-	роны	синхронной	стороны синхрон-		пряжения возбуж-
хронной маши-		хронной машины		машины и сети равны		ной машины и сети		дения	синхронной
ны и сети		и сети				неравны		машины до момен-
								та	выравнивания
								напряжений со сто-
								роны	синхронной
								машиныисети

19

Условие	Средство	Критерий
	контроля	выполненияусловия
Одинаковое	Лампы в разрывах	Лампы в фазах перио-
чередование	фаз	дически одновременно
фаз напряжений		загораются	и	гаснут
синхронной		(частоты	напряжений
машины и сети		не равны); горят (на-
		пряжения в противофа-
		зе): не горят (напряже-
		ниясинфазные)
Равенство час-	Лампы в разрывах	Лампы в фазах		горят
тот синхронной	фаз или	постоянно	без	мерца-
машины и сети	синхроноскоп	ния (напряжения в про-
		тивофазе) или не горят
		(напряжения синфаз-
		ные); стрелка синхро-
		носкопанеподвижна
Синфазность	Лампы в разрывах	Лампы в фазах не го-
напряжений	фаз или	рят: стрелка синхроно-
синхронной	синхроноскоп	скопасмотрит вверх
машины и сети

Продолжение табл. 2

Критерий		Рекомендации
невыполнения		по выполнению
условия		условия
Лампы в фазах пе-		Переключить	лю-
риодически	неод-	бые две фазы син-
новременно	заго-	хронной машины
раются и	гаснут;
создавая	эффект
«кругового огня»
Лампы в фазах за-
		Регулировать	час-
гораются с	часто-	тоту вращения син-
той скольжения,		хронноймашины
стрелка синхроно-
скопа вращается
Лампы в фазах го-
		Регулировать	час-
рят; стрелка син-		тоту вращения син-
хроноскопа	не	хронноймашины
смотрит вверх

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

РУЧНОЕ ПОДКЛЮЧЕНИЕ К СЕТИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА МЕТОДОМ САМОСИНХРОНИЗАЦИИ

Цель работы: ручной ввод генератора в синхронный режим работы с сетью методом самосинхронизации.

Задание на подготовку к работе:

1.Изучить теоретическую часть работы по одному из учебников и описанию этой лабораторной работы.

2.Ответить на контрольные вопросы.

3.Ознакомиться с расположением и назначением ручек управления и переключателей стенда (перечень аппаратуры стенда см. в табл. 3).

3.Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник питания	201	400 В ~; 1,6 А
G2	Источник питания двигателя постоянного тока	206	0…220 В ~ 5 А (якорь)
			220 В – ; 1 А (возбуждение)
G3	Возбудитель машины переменного тока	209	0…40 В – ; 8 А
G4	Машина переменного тока	102.1	50 Вт; 230 В ~ ; 1500 мин-1
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	0 … 6000 мин-1
М1	Машина постоянного тока	101.1	80 Вт; 220 В; 0,76 А (якорь)
			220 В (возбуждение)
P1	Указатель частоты вращения	506.1	2000 … 0 … 2000 мин-1
Р2, Р3	Мультиметр	501	0…1000 В – ~; 0…20 А, – ~

20