Provozní režimy synchronních generátorů, provozní vlastnosti generátorů

Hlavní veličiny charakterizující synchronní generátor jsou: svorkové napětí U, zátěž I, celkový výkon P (kVA), otáčky rotoru za minutu n, účiník cos φ.

Nejdůležitější provozní vlastnosti synchronního generátoru jsou následující:

• volnoběhové vlastnosti,
• vnější vlastnosti,
• regulační charakteristika.

Charakteristika chodu synchronního generátoru naprázdno

Elektromotorická síla generátoru je úměrná velikosti magnetického toku F vytvářeného budicím proudem iin a počtu otáček n rotoru generátoru za minutu:

kde c je koeficient proporcionality.

Přestože velikost elektromotorické síly synchronního generátoru závisí na počtu otáček n rotoru, není možné ji regulovat změnou rychlosti otáčení rotoru, protože frekvence elektromotorické síly, kterou je třeba udržovat konstantní, je spojen s počtem otáček rotoru generátoru.

Jediným způsobem, jak regulovat velikost elektromotorické síly synchronního generátoru, je tedy změna hlavního magnetického toku F. Toho se obvykle dosáhne regulací budícího proudu iв pomocí reostatu zavedeného do budícího obvodu generátoru. V případě, kdy je budicí vinutí napájeno proudem z generátoru stejnosměrného proudu, který je umístěn na stejné hřídeli jako tento synchronní generátor, je budicí proud synchronního generátoru regulován změnou napětí na svorkách generátoru stejnosměrného proudu.

Závislost elektromotorické síly E synchronního generátoru na budícím proudu iв při konstantní jmenovité rychlosti rotoru ( n = const) a zatížení rovném nule ( 1 = 0) se nazývá charakteristika generátoru naprázdno.

Obrázek 1 ukazuje charakteristiku volnoběžných otáček generátoru. Zde se bere vzestupná větev 1 křivky, když se proud i in zvýší z nuly na i v m, a sestupná větev 2 křivky se vezme, když se i in změní z i v na i v = 0.

Rýže. 1. Charakteristika chodu synchronního generátoru naprázdno

Nesoulad mezi vzestupnou 1 a sestupnou 2 větví je vysvětlen zbytkovým magnetismem. Čím větší je plocha omezená těmito větvemi, tím větší je ztráta energie v oceli synchronního generátoru v důsledku převrácení magnetizace.

Strmost stoupání křivky naprázdno v jejím počátečním přímém úseku charakterizuje magnetický obvod synchronního generátoru. Čím nižší je spotřeba ampérzávitů ve vzduchových mezerách generátoru, tím strmější bude klidová charakteristika generátoru, všechny ostatní věci jsou stejné.

Vnější charakteristiky generátoru

Napětí na svorkách zatíženého synchronního generátoru závisí na elektromotorické síle E generátoru, na úbytku napětí v činném odporu jeho statorového vinutí, na úbytku napětí způsobeném elektromotorickou silou samosvodové indukce Es a na úbytku napětí na jeho statorovém vinutí. pokles napětí způsobený reakcí kotvy.

Je známo, že svodová elektromotorická síla Es závisí na svodovém magnetickém toku Ф s, který neproniká magnetickými póly rotoru generátoru, a proto nemění stupeň magnetizace generátoru. Elektromotorická síla samorozptylové indukčnosti Es generátoru je relativně malá, a proto ji lze prakticky zanedbat. V souladu s tím lze tu část elektromotorické síly generátoru, která kompenzuje elektromotorickou sílu rozptylové samoindukce Es, považovat za prakticky rovnou nule.

Reakce kotvy má znatelnější vliv na pracovní režim synchronního generátoru a zejména na napětí na jeho svorkách. Míra tohoto vlivu závisí nejen na velikosti zátěže generátoru, ale také na charakteru zátěže.

Uvažujme nejprve vliv reakce kotvy synchronního generátoru pro případ, kdy je zátěž generátoru čistě aktivní povahy. Za tímto účelem vezmeme část obvodu pracovního synchronního generátoru, znázorněného na Obr. 2, a. Zde je znázorněna část statoru s jedním aktivním vodičem vinutí kotvy a část rotoru s několika jeho magnetickými póly.

Rýže. 2. Vliv reakce kotvy na zátěže: a – aktivní, b – indukční, c – kapacitní povahy

V uvažovaném okamžiku severní pól jednoho z elektromagnetů, rotujících s rotorem proti směru hodinových ručiček, právě prochází pod aktivním vodičem vinutí statoru.

Elektromotorická síla indukovaná v tomto vodiči směřuje k nám díky rovině vzoru. A protože zátěž generátoru je čistě aktivní povahy, proud I ve vinutí kotvy je ve fázi s elektromotorickou silou. Proto v aktivním vodiči statorového vinutí proudí směrem k nám díky rovině vzoru.

Magnetické siločáry vytvořené elektromagnety jsou zde znázorněny jako plné čáry a magnetické siločáry vytvořené proudem v drátu vinutí kotvy jsou znázorněny jako tečkovaná čára.

Níže na Obr. Obrázek 2a ukazuje vektorový diagram magnetické indukce výsledného magnetického pole umístěného nad severním pólem elektromagnetu. Zde vidíme, že magnetická indukce B hlavního magnetického pole vytvořeného elektromagnetem má radiální směr a magnetická indukce B I magnetického pole proudu vinutí kotvy směřuje doprava a kolmo k vektoru B.

Výsledná magnetická indukce řezu směřuje nahoru a doprava. To znamená, že v důsledku přidání magnetických polí došlo k určitému zkreslení hlavního magnetického pole. Nalevo od severního pólu poněkud zeslábl a napravo poněkud zesílil.

Je dobře vidět, že se nezměnila radiální složka vektoru výsledné magnetické indukce, na které v podstatě závisí velikost indukované elektromotorické síly generátoru. V důsledku toho reakce kotvy s čistě aktivním zatížením generátoru neovlivňuje velikost elektromotorické síly generátoru. To znamená, že pokles napětí v generátoru při čistě aktivní zátěži je způsoben pouze poklesem napětí v aktivním odporu generátoru, pokud zanedbáme elektromotorickou sílu úniku vlastní indukčnosti.

Nyní předpokládejme, že zátěž synchronního generátoru je čistě indukční povahy. V tomto případě se proud I ve fázi zpožďuje od elektromotorické síly E o úhel π/2. To znamená, že maximální proud nastává v drátu o něco později než maximální elektromotorická síla. V důsledku toho, když proud v drátu vinutí kotvy dosáhne své maximální hodnoty, severní pól N již nebude pod tímto drátem, ale bude se pohybovat mírně dále ve směru otáčení rotoru, jak je znázorněno na obr. 2, b.

V tomto případě jsou magnetické čáry (přerušované čáry) magnetického toku vinutí kotvy uzavřeny přes dva sousední protilehlé póly N a S a směřují k magnetickým čarám hlavního magnetického pole generátoru vytvořeného magnetickými póly. To vede k tomu, že hlavní magnetická dráha je nejen zkreslená, ale také poněkud slabší.

Na Obr. 2,6 ukazuje vektorový diagram magnetických indukcí: hlavní magnetické pole B, magnetické pole způsobené reakcí kotvy B i a výsledné magnetické pole B res.

Zde vidíme, že radiální složka magnetické indukce výsledného magnetického pole je menší než magnetická indukce B hlavního magnetického pole o hodnotu Δ B. V důsledku toho se také zmenšila indukovaná elektromotorická síla, protože je způsobena na radiální složku magnetické indukce. To znamená, že napětí na svorkách generátoru, pokud jsou všechny ostatní věci stejné, bude nižší než napětí při čistě aktivní zátěži generátoru.

Pokud má generátor čistě kapacitní zátěž, pak proud v něm předbíhá elektromotorickou sílu ve fázi o úhel π/2. Proud ve vodičích vinutí kotvy generátoru nyní dosáhne maxima dříve než elektromotorická síla E. V důsledku toho, když proud ve vodiči vinutí kotvy (obr. 2, c) dosáhne své maximální hodnoty, severní pól N ještě nebude vejít pod tento drát.

V tomto případě jsou magnetické čáry (přerušované čáry) magnetického toku vinutí kotvy uzavřeny přes dva sousední protilehlé póly N a S a směřují stejným směrem jako magnetické čáry hlavního magnetického pole generátoru. To vede k tomu, že hlavní magnetické pole generátoru je nejen zkreslené, ale také poněkud zesílené.

Na Obr. Obrázek 2c ukazuje vektorový diagram magnetické indukce: hlavní magnetické pole B, magnetické pole způsobené reakcí kotvy Bya a výsledné magnetické pole B res. Vidíme, že radiální složka magnetické indukce výsledného magnetického pole se zvětšila o hodnotu Δ B větší než magnetická indukce B hlavního magnetického pole. V důsledku toho se zvýšila i indukovaná elektromotorická síla generátoru napětí na svorkách generátoru za všech ostatních stejných podmínek bude větší než napětí při čistě indukční zátěži generátoru.

Po objasnění vlivu reakce kotvy na elektromotorickou sílu synchronního generátoru při zatížení různé povahy, přejděme k určení vnějších charakteristik generátoru. Vnější charakteristikou synchronního generátoru je závislost napětí U na jeho svorkách na zátěži I při konstantních otáčkách rotoru (n = const), konstantním budicím proudu (i = const) a konstantním účiníku (cos φ = const) .

Na Obr. Obrázek 3 ukazuje vnější charakteristiky synchronního generátoru pro zátěže různé povahy. Křivka 1 vyjadřuje vnější charakteristiku při aktivním zatížení (cos φ = 1,0). V tomto případě napětí na svorkách generátoru klesne, když se zátěž změní z chodu naprázdno na nominální v rozmezí 10 – 20 % napětí, když je generátor naprázdno.

Křivka 2 vyjadřuje vnější charakteristiku s aktivní indukční zátěží (cos φ = 0). V tomto případě napětí na svorkách generátoru rychleji klesá vlivem demagnetizačního účinku reakce kotvy. Když se zátěž generátoru změní z volnoběhu na nominální, napětí se sníží o 8 – 20 % napětí při volnoběhu.

Křivka 3 vyjadřuje vnější charakteristiku synchronního generátoru s aktivní kapacitní zátěží (cos φ = 0,8). V tomto případě se napětí na svorkách generátoru mírně zvýší v důsledku magnetizačního účinku reakce kotvy.

Rýže. 3. Vnější charakteristiky generátoru střídavého proudu pro různé zátěže: 1 – aktivní, 2 – indukční, 3 kapacitní

Regulační charakteristika synchronního generátoru

Regulační charakteristika synchronního generátoru vyjadřuje závislost budícího proudu i v generátoru na zátěži I při konstantní hodnotě efektivního napětí na svorkách generátoru (U = const), konstantním počtu otáček rotoru generátoru za minutu (n = const) a konstantní účiník (cos φ = const) .

Na Obr. Obrázek 4 ukazuje tři charakteristiky nastavení synchronního generátoru. Křivka 1 se vztahuje na případ aktivního zatížení (cos φ = 1).

Rýže. 4. Regulační charakteristiky generátoru střídavého proudu pro různé zátěže: 1 – aktivní, 2 – indukční, 3 – kapacitní

Zde vidíme, že s rostoucí zátěží I generátoru roste budicí proud. Je to pochopitelné, neboť s rostoucí zátěží I roste úbytek napětí v činném odporu vinutí kotvy generátoru a je nutné zvýšit elektromotorickou sílu E generátoru zvýšením budícího proudu i, aby byla zachována a. konstantní napětí U.

Křivka 2 se vztahuje na případ aktivní indukční zátěže s cos φ = 0. Tato křivka stoupá strměji než křivka 8 v důsledku demagnetizačního účinku reakce kotvy, která snižuje velikost elektromotorické síly E a následně i napětí U na svorkách generátoru.

Křivka 3 se vztahuje na případ aktivní kapacitní zátěže při cos φ = 0,8. Tato křivka ukazuje, že jak se zatížení generátoru zvyšuje, je zapotřebí menší budicí proud iв generátoru, aby se na jeho svorkách udrželo konstantní napětí. To je pochopitelné, protože v tomto případě reakce kotvy zesiluje hlavní magnetický tok a tím pomáhá zvýšit elektromotorickou sílu generátoru a napětí na jeho svorkách.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: