МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра “Електротехніки й електротехнологій”

Дослідження синхронних машин

Методичні вказівки для виконання лабораторних робіт з курсу “Електричні машини” для студентів спеціальності 7.000008 “Енергетичний менеджмент”

Дніпродзержинськ 2011

УДК 621.313

Дослідження синхронних машин. Методичні вказівки для лабораторних робіт з курсу “Електричні машини” / Укладач - канд. техн. наук, доцент

О. В. Качура. - Дніпродзержинськ, 2011. - 35 с.

Методичні вказівки містять теоретичні відомості про конструкцію і принцип дії синхронних електричних машин, їх основні характеристики, способи пуску, опис лабораторної установки, порядок виконання робіт.

Рецензент

Дніпродзержинський державний технічний університет, 2011

1. Ціль методичних вказівок

Ознайомити студентів з конструкцією синхронних електричних машин, вивчити способи їх пуску та регулювання, навчити знімати природні й штучні механічні характеристики, характеристики холостого ходу й робочого режиму.

2 Порядок виконання робіт

2.1 Лабораторна робота №1.

Дослідження характеристик синхронного генератора.

Основні теоретичні положення.

Область застосування та будова синхронного генератора.

Трифазні синхронні генератори є джерелом струму, що встановлені на всіх електричних станціях змінного струму. Принцип дії синхронних генераторів заснований на законі електромагнітної індукції. Синхронний генератор має нерухомий статор і рухливий ротор. Залежно від місця розташування обмоток постійного і змінного струму синхронні генератори можуть бути двох видів:

а) генератори з обмоткою якоря на статорі і обмоткою збудження на роторі;

б) генератори з обмоткою якоря на роторі і обмоткою збудження на статорі. Синхронні генератори такого виконання виготовляють на невеликі потужності.

За способом збудження синхронні генератори діляться на дві групи [1]:

а) генератори з незалежним збудженням, у яких постійний струм в обмотку збудження подається від стороннього джерела постійного струму.

б) генератори з самозбудженням, у яких живлення кола збудження проводиться від випрямляча, який живиться від обмоток трифазного змінного струму даного генератора.

У лабораторній роботі в якості досліджуваного синхронного генератора використовується генератор з незалежним збудженням, у якого обмотка якоря розташована на нерухомому статорі, а обмотка збудження на рухомому роторі.

Робота синхронного генератора у режимі холостого ходу.

У обмотках однієї фази синхронного генератора при його роботі індукується змінна ЕРС, оскільки провідники обмоток нерухомого статора перетинаються магнітним потоком рухомих полюсів ротора. Вона характеризується амплітудою, частотою і формою кривої

е₁ = Е_max sin ωt, (1)

де Е_max - амплітуда індукуємої ЕРС; ω - кругова частота індукуємої ЕРС. Діюче значення ЕРС, індукованої в обмотках якоря

Е₁ = 4,44∙f w₁K_об1Ф₀, (2)

де f - частота індукуємої ЕРС; w1 - число витків однієї фази обмотки якоря; Kоб1 - обмотувальний коефіцієнт обмотки якоря; Ф0 - магнітний потік, створюваний обмоткою збудження.

У 2-х інших фазах індукована ЕРС буде мати амплітуду, рівну амплітуді ЕРС першої фази Е1 = Е2 = Е3, але вони будуть відставати одна від одної по фазі на одну третину періоду. Якщо в загальному випадку машина має р пар полюсів і її ротор обертається зі швидкістю n обертів на хвилину, то число періодів за одну секунду (частота індукуємої ЕРС) дорівнюватиме

f = рn /60. (3)

Важливою характеристикою генератора є форма кривої ЕРС. Відхилення від синусоїдальної форми кривої призводить до збільшення втрат в генераторах і електроприймачах. Форма кривої ЕРС генератора залежить від форми полюсних наконечників і від обмоток якоря.

Характеристикою холостого ходу синхронного генератора (рис. 1.1) називається залежність ЕРС, індукована в обмотках якоря при постійній частоті обертання і струмі навантаження, що дорівнює I₁ = 0, в залежності від струму збудження Iв.

Залежність Е = ƒ (Iв) показує стан магнітної системи генератора, так як ця крива є не що інше, як крива намагнічування осердь статора і ротора синхронного генератора.

Рис. 1.1. Характеристика холостого ходу синхронного генератора

Характеристика холостого ходу визначається експериментальним шляхом. Явище гістерезису призводить до наявності двох кривих, отриманих при зростанні (крива 1) і убуванні (крива 2) струму збудження Iв. Ці криві мало відрізняються одна від одної, тому зазвичай беруть середні значення ЕРС і будують один графік залежності Е1=ƒ(Iв) (крива 3). У режимі холостого ходу вектор ЕРС відстає по фазі від вектора магнітного потоку на чверть періоду.

Робота синхронного генератора під навантаженням.

При включенні навантаження по обмотці якоря протікає струм I₁, який змінюється з частотою, рівною частоті ЕРС якоря. На якорі є три обмотки, зсунуті у просторі на кут 120°. При навантаженні їх струмами, зсунутими в часі щодо один одного також на кут 120°, виникає обертовий магнітний потік реакції якоря Фа, швидкість обертання якого визначається частотою струму

. (4)

Частота струму якоря I₁ залежить від швидкості обертання якоря. Магнітний потік реакції якоря Фа буде впливати на магнітний потік полюсів статора Фв і змінювати його. Дія магнітного поля якоря на магнітний потік полюсів ротора називається реакцією якоря синхронної машини [2]. Обидва потоки при їх геометричному додаванні дають результуючий магнітний потік машини.

Магнітний потік реакції якоря Фа індукує в обмотці якоря ЕРС реакції якоря Еа. Крім того, струм I₁ проходячи по обмотці якоря, створює потік розсіювання Фр, який замикається навколо провідників паза, зубців і лобових частин обмотки якоря і індукує в ній ЕРС розсіювання Ер. Для спрощення магнітні потоки Фа і Фр об’єднують в один загальний магнітний потік якоря Ф₁. Магнітний потік Ф₁ індукує в обмотці якоря синхронну ЕРС Ес, яка відстає по фазі від магнітного потоку Ф₁ на 1/4 періоду. Її величина пропорційна струму якоря I₁

Е_с = – I₁х_c, (5)

де хc - синхронне індуктивний опір якоря; I₁х_c - падіння напруги в синхронному індуктивному опорі. У синхронних машинах вісь, яка збігається з віссю полюсів, прийнято називати поздовжньою віссю, а вісь, перпендикулярну осі полюсів - поперечною.

Індуктивне навантаження синхронного генератора.

При індуктивному навантаженні струми в обмотках якоря відстають від відповідних ЕРС на кут 90°. Вони створюють поздовжній магнітний потік реакції якоря Фа, який спрямований проти магнітного потоку полюсів Фв і розмагнічує його. Це призводить до зменшення ЕРС, індукованої в обмотці якоря, і по мірі збільшення струму навантаження напруга на затискачах генератора зменшується. При цьому сили, що діють на провідники обмотки якоря, під одним і тим же полюсом, спрямовані в протилежні сторони і результуючий електромагнітний момент синхронного генератора дорівнюватиме нулю, тобто перетворення механічної енергії в електричну відсутнє.

Ємнісне навантаження синхронного генератора.

При ємнісному навантаженні струми в обмотках якоря випереджають відповідні ЕРС на кут 90°. Вони створюють поздовжній магнітний потік реакції якоря Фа, напрям якого збігається з магнітним потоком полюсів Фв і підсилює його. Це призводить до зростання ЕРС, індукованої в обмотці якоря, і при збільшенні струму навантаження напруга на затискачах генератора збільшується. Сили, що діють на провідники обмотки якоря під одні і тим же полюсом, у даному випадку також спрямовані в протилежні сторони, результуючий електромагнітний момент синхронного генератора дорівнюватиме нулю і відсутнє перетворення механічної енергії в електричну.

Активне навантаження синхронного генератора.

У цьому випадку струми в обмотках якоря збігаються по фазі з індукованими в них ЕРС. Вони створюють поперечний магнітний потік реакції якоря Фа, який послаблює магнітний потік полюсів Фв на набігаючій половині полюса і підсилює його на збігаючій половині полюса, що призводить до спотворення магнітного поля у повітряному проміжку. Поперечне магнітне поле не змінює магнітний потік полюсів Фв, якщо осердя синхронного генератора не насичені, і зменшує його в насиченому синхронному генераторі. Сили, що діють на провідники обмотки якоря під одним і тим же полюсом, спрямовані в одну і ту ж сторону і створюють результуючий електромагнітний момент синхронного генератора, який спрямований проти напряму обертання ротора. Таким чином, при активному навантаженні синхронного генератора відбувається перетворення механічної енергії в електричну. При збільшенні активного навантаження реакція якоря призводить до незначного зменшення індукуємої ЕРС і напруги на затискачах синхронного генератора.

Зовнішні і регулювальні характеристики синхронного генератора.

Характер зміни напруги при різних видах навантаження синхронного генератора можна визначити за його зовнішніми і регулювальними характеристиками.

Зовнішньою характеристикою синхронного генератора називається залежність напруги на виході генератора U=ƒ(I₁) при постійному струмі збудження Iв = const.

Зовнішні характеристики синхронного генератора зображені на рис. 1.2. Якщо синхронний генератор включений на виключно активне навантаження, то зі збільшенням струму навантаження I₁ напруга на затискачах генератора зменшується за рахунок зростання падіння напруги в активному і індуктивному опорах обмотки якоря. Індуктивний характер навантаження призводить до більш різкого зниження напруги через розмагнічуючу дію реакції якоря, а у разі ємнісного навантаження напруга на затискачах генератора дещо збільшується, оскільки реакція якоря посилює магнітний потік полюсів генератора.

Регулювальною характеристикою синхронного генератора називається залежність струму збудження Iв=ƒ(I₁) при постійній напрузі на його затискачах U = Uн. Регулювальні характеристики синхронного генератора при різних видах навантаження зображені на рис. 1.3. При збільшенні навантаження, тобто струму якоря I₁, напруга на затискачах генератора зменшується, тому для підтримки напруги постійною U = const необхідно відповідним чином змінювати струм збудження Iв. Для цієї мети при чисто активному навантаженні струм збудження потрібно збільшувати. Індуктивне навантаження вимагає ще більшого збільшення струму збудження. При ємнісному навантаженні необхідно зменшувати струм збудження, оскільки напруга на затискачах генератора зі збільшенням навантаження підвищується.

Зовнішні і регулювальні характеристики синхронного генератора при заданому характері навантаження знімаються при постійних значеннях коефіцієнта потужності cosφ=const і швидкості обертання n=const.

Досліджувана установка.

1. Синхронний генератор (СГ).

2. Приводний двигун постійного струму незалежного збудження.

3. Електровимірювальні прилади: комплектний вимірювальний комплекс К-505; індикатор швидкості; амперметри, вольтметри.

4. Перемикачі: однополюсні (А1, А2) - 2 шт.; триполюсні (А3, А4) - 2 шт.

Дослід 1. Дослідження характеристики холостого ходу СГ E=ƒ(I_зб) при I_a=0, n=const.

Порядок виконання.

1. Ознайомитися з установкою. Записати до протоколу паспортні дані двигуна.

2. Зібрати схему згідно рис. 1.4.

3. Привести схему до вихідного стану - всі вимикачі А1-А4 розімкнуті.

4. Включити автомат А1. За допомогою реостата Rдз встановити номінальне значення струму обмотки збудження приводного двигуна постійного струму.

5. Включити автомат А2 та запустити приводний двигун постійного струму. За допомогою вимірювального комплекту К-505 зафіксувати значення ЕРС синхронного генератора СГ при струмі збудження рівному нулю.

7. Подати постійну напругу на обмотку збудження СГ.

8. У обмотці збудження СГ поступово збільшувати струм збудження до номінального і зняти висхідну ділянку характеристики холостого ходу. При цьому за допомогою К-505 зробити 7-8 замірів значень напруги на виході генератора і відповідних їм значень струму збудження. Дані занести до табл. 1.1.

9. Зменшуючи ЛАТРом струм збудження в обмотці ОЗСГ до нуля, зафіксувати 7-8 значень напруги на виході СГ і отримати низхідну гілку характеристики. Дані занести до табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Висхідна ділянка характеристики холостого ходу
Nп/п	1	2	3	4	5	6	7	8
E, В
Iзб, А
Низхідна ділянка характеристики холостого ходу
Nп/п	1	2	3	4	5	6	7	8
E, В
Iзб, А

Дослід 2. Дослідження зовнішньої характеристики СГ U=ƒ(I_a) при I_зб=const, n=const.

Порядок виконання.

1. Включити автомат А1. За допомогою реостата Rдз встановити номінальне значення струму обмотки збудження приводного двигуна постійного струму.

2. Включити автомат А2 та запустити приводний двигун постійного струму Д. Встановити номінальну швидкість обертання СГ.

3. Регулюючи струм в обмотці збудження СГ за допомогою ЛАТРа, встановити номінальну напругу на виході генератора.

2. Поступово змінюючи навантаження від 0 до максимального (вмикати ключі S1-S10), зробити 7-8 замірів напруги генератора СГ і його струму статора за допомогою комплекту К-505. Результати вимірювань занести до табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Nп/п	1	2	3	4	5	6	7	8
U1, В
I1, А

Дослід 3. Дослідження регулювальної характеристики СГ I_зб=ƒ(I₁) при U₁=const, n=const.

Порядок виконання.

1. Включити автомат А1. За допомогою реостата Rдз встановити номінальне значення струму обмотки збудження приводного двигуна постійного струму.

2. Включити автомат А2 та запустити приводний двигун постійного струму Д.

3. За допомогою ЛАТРа встановити номінальний струм в обмотці збудження СГ і, відповідно, номінальну напругу на виході синхронного генератора.

4. Поступово змінюючи навантаження від 0 до максимального (вмикати ключі S1-S10), зробити 7-8 замірів струмів I_зб та I₁ генератора за допомогою комплекту К-505. В процесі зростання навантаження на генератор СГ корегувати ЛАТРом струм у обмотці збудження таким чином, щоб підтримувати незмінним на затискачах генератора СГ номінальне значення напруги. Дані виміряних струмів I_зб та I₁ занести до табл. 1.3.

Таблиця 1.3

Nп/п	1	2	3	4	5	6	7	8
Iзб, А
I1, А

Дослід 4. Дослідження характеристики короткого замикання СГ I₁^*=ƒ(I_зб^*) при U₁=0, n=const.

Порядок виконання.

1. Вимкнути привідний двигун постійного струму.

2. Замкнути накоротко вихідні кінці статорної обмотки СГ.

3. Встановити струм у колі збудження СГ рівним нулю.

4. Вмикаючи по черзі перемикачі А1 та А2, запустити привідний двигун постійного струму.

5. Плавно збільшуючи струм збудження СГ за допомогою ЛАТРу, отримати 4-5 значень струму I₁, яке не повинне перевищувати номінального значення для даного СГ. Дані вимірювань занести до табл. 1.4.

Таблиця 1.4

Nп/п	1	2	3	4	5	6	7	8
I1, А
Iзб, А

Обробка результатів дослідів.

За даними табл. 1.1 побудувати висхідну та низхідну гілки характеристики холостого ходу СГ E=ƒ(I_зб). За дослідну характеристику холостого ходу СГ прийняти середню лінію між висхідною та низхідною гілками.

Для порівняння нормальної характеристики холостого ходу з характеристикою, отриманою дослідним шляхом, необхідно обидві характеристики побудувати в одних координатних осях. Попередньо необхідно дані дослідної характеристики холостого ходу перерахувати у відносних одиницях:

; ,

де - струм збудження, що відповідає номінальному значенню напруги у режимі холостого ходу.

Результати розрахунків звести до табл. 1.5.

Таблиця 1.5

Nд/д	Iзб	Е0	Iзб^*	Е0^*
	А	В	в.о.	в.о.
1 2 . . . 8

Дані нормальної характеристики холостого ходу наведено у табл. 1.6.

Таблиця 1.6

ізб^*	0,5	1,0	1,5	2,0
Е0^*	0,53	1,0	1,23	1,3

За даними табл. 1.2 побудувати зовнішню характеристику СГ U₁=ƒ(I₁).

За даними табл. 1.3 побудувати регулювальну характеристику СГ I_зб=ƒ(I₁).

За даними табл. 1.4 побудувати характеристику короткого замикання СГ I₁^*=ƒ(I_зб^*). Для отримання даних характеристики у відносних одиницях, скористатися формулами:

; ,

де I_зб0 - струм збудження, що відповідає номінальному значенню напруги у режимі холостого ходу.

Результати розрахунку звести до табл. 1.7.

Характеристику короткого замикання будують в одних координатних осях разом з характеристикою холостого ходу.

Таблиця 1.7

I1^*, в.о.
Iзб^*, в.о.

Контрольні запитання.

1. Схема, конструкція і принцип дії трифазного синхронного генератора.

2. Порядок пуску синхронного генератора.

3. Порядок і методика зняття ХХХ, зовнішньої та регулювальної характеристик синхронного генератора.

4. Порядок увімкнення трифазного синхронного генератора на паралельну роботу з трифазною мережею змінного струму.

5. Як здійснюється регулювання реактивної потужності синхронного генератора?

6. Умови увімкнення синхронного генератора на паралельну роботу з мережею.