Холостой ход синхронного генератора

+2. Холостой ход синхронного генератора

2.1 Обмотки возбуждения. Магнитное поле возбуждения (Тема 21)

Обмотки возбуждения предназначены для создания основного магнитного потока и питаются от источника постоянного тока, называемого в общем случае возбудителем. Катушки обмотки возбуждения выполняют из медной шины или изолированных стандартных проводов круглого или прямоугольного сечения в машинах малой мощности.

На схемах катушки обмотки возбуждения изображают в виде одного или двух последовательно соединенных витков. Выводы обмотки возбуждения обозначают буквами: начало – F₁ и конец – F₂.

В явнополюсных машинах обмотки возбуждения выполняют из много-витковых катушек, надетых на сердечники полюсов (рис. 1.1, 1.3). Число витков катушки одного полюса w_f, полное число витков обмотки возбуждения 2рw_f. Схема обмотки восьмиполюсной машины приведена на рис. 2.1.

Обычно катушки соседних полюсов намотаны в противоположных направлениях: катушка полюса I по часовой стрелке, полюса II – против (рис. 2.1). Это уменьшает длину межкатушечных соединений за счет соединения расположенных рядом катушек верхними или нижними витками.

Если условно разместить стороны катушки полюса на оси симметрии между соседними полюсами, то МДС возбуждения F_f на полюсном представляет собой прямоугольник высотой F_{f m} = w_f I_f. (рис. 2.2)

Радиальная составляющая индукции магнитного поля возбуждения в зазоре B_{δ f} пересекает зазор δ и проникает в сердечник статора. Величина индукции B_{δ f} обратно пропорциональна зазору δ

Для приближения формы поля возбуждения к синусоидальной зазор между статором и ротором выполняют неравномерным: минимальным δ на оси полюса и максимальным δ_m на краях полюсного наконечника (рис. 2.2). Вследствие этого форма кривой индукции B_δf отличается от формы кривой МДС F_f.

Кривую индукции B_δf поля возбуждения можно разложить в ряд Фурье, содержащий только нечетные гармонические порядка ν =1, 3, 5,… Выражение любой гармонической индукции относительно продольной оси d (оси полюса) имеет вид

Рекомендуемые материалы

,                                               (2.1)

где B_δfνm – амплитуда ν-й гармонической индукции магнитного поля возбуждения, ν – номер (порядок) гаромонической индукции.

В обмотке возбуждения течет постоянный ток I_f, поэтому МДС F_f и кривая индукции B_δf поля возбуждения не изменяют своей формы и неподвижны по отношению к продольной оси полюса d. При вращении ротора с частотой n магнитное поле возбуждения и все его гармонические составляющие вращаются с одинаковой частотой n_ν = n.

Первая гармоническая индукции B_{δf 1} поля возбуждения индуктирует в обмотке якоря синусоидальную ЭДС основной частоты f₁. Высшие гармонические ЭДС, индуктируемые высшими (ν > 1) гармоническими индукции B_δfνm, уменьшают укорочением шага и распределением обмотки якоря. Вследствие этого влияние высших гармонических на форму выходного напряжения генераторов относительно невелико и в теории синхронных машин учитывают только основную (первую) гармоническую поля возбуждения.

В неявнополюсных синхронных машинах зазор между статором и ротором постоянный (рис. 1.1, б).

Близкая к синусоидальной форма МДС и магнитного поля возбужде-ния в зазоре достигается применением распределенной обмотки. В большинстве случаев обмотку выполняют из концентрических катушек с различным шагом y₂ < τ, укладываемых в радиальные пазы (рис. 1.6) на поверхности ротора. Обычно пазы с обмоткой занимают от 0,65 до 0,8 наружной поверхности ротора.

Катушки разных полюсов обычно соединяют верхними витками.

Так как на каждом полюсном делении ротора укладывают равное число катушек, имеющих по две активные стороны (рис. 2.2), число пазов z₂ неявнополюсного ротора с числом полюсов 2р = 2 кратно четырем и у двухполюсных турбогенераторов z₂ = (20–40).

МДС возбуждения F_f на полюсном делении имеет форму ступенчатой трапеции (рис. 2.2), разложение которой в ряд Фурье содержит гармонические нечетных порядков ν = 1, 3, 5… Вследствие большого числа пазов ротора МДС возбуждения F_f приближается к трапеции, изображенной пунктирной линией на рис. 2.2.

При обычно принимаемой относительной длине обмотанной части полюсного деления γ = b/τ ≈ 2/3 (см. рис. 2.12) первая гармоническая МДС возбуждения F_{f 1m} близка к показаннной пунктиром трапеции.

Если пренебречь насыщением стали (μ_СТ = ∞), то из-за постоянства зазора δ неявнополюсных машин кривая индукции в зазоре B_{δ f} ≡ 1/δ повторяет кривую МДС F_f и форма магнитного поле возбуждения в зазоре неявнополюсной машины мало отличается от синусоиды.

Коэффициент формы поля возбуждения (без учета насыщения стали) характеризует синусоидальность магнитного поля возбуждения

.                              (2.2)

При наиболее часто принимаемых значениях γ = 0,65–0,75 коэффициенты формы поля возбуждения неявнополюсной машины k_f = 0,98–1,05; то есть магнитное поле возбуждения таких машин близко к синусоидальному.

2.2 Характеристика холостого хода

В режиме холостого хода обмотка якоря разомкнута, и тока в ней нет^.. Постоянный ток I _f в обмотке возбуждения создает МДС F_f и магнитный по-ток взаимоиндукции Ф_f, неподвижный относительно полюсов и замыкающийся по магнитопроводам статора и ротора (рис. 3.1). Поток Ф_f направлен по оси полюсов d, называемой продольной осью. Распределение индукции B_{δ f} потока Ф_f в зазоре симметрично относительно оси d (рис. 2.10, 2.12). Возбужденный ротор приводят во вращение с частотой n приложенным к валу генератора внешним механическим вращающим моментом турбины или другого двигателя. Вращающийся вместе с ротором поток взаимоиндукции Ф _f индуктирует в фазах обмотки якоря ЭДС основной частоты

       или   ,                                 (2.3)

где n – частота вращения ротора, об/с или об/мин при расчете по первой и второй формулам соответственно.

Действующее значение ЭДС фазы якоря

                                            (2.4)

где k_B – коэффициент формы ЭДС; w и k_O1 – число последовательно соединенных витков фазы и обмоточный коэффициент обмотки якоря по основной (первой) гармонической потока возбуждения в зазоре.

Искажение формы (несинусоидальность) ЭДС E_f сопровождается по-терями мощности от высших гармонических в самом генераторе и в под- ключенных к нему приемниках энергии. Поэтому форма ЭДС синхронных генераторов должна быть как можно ближе к синусоидальной, что обеспечивается соответствующей формой магнитного поля в зазоре и устройством обмоток якоря.

Близкая к синусоидальной форма кривой индукции B_{δ f} в зазоре достигается неравномерностью зазора в явнополюсных машинах и распределением обмотки возбуждения в неявнополюсных. Преобразование энергии в машине осуществляется за счет основной (первой) гармонической поля в зазоре.

Высшие гармонические магнитного поля возбуждения, возникающие вследствие различия реального распределения индукции B_{δ f} и основной гармонической B_{δ f 1} (рис. 2.10, 2.12), создают только потери энергии в машине. Влияние высших гармонических индукции поля возбуждения на ЭДС E_f снижается за счет укорочения шага, распределения обмотки якоря и соединения её фаз в звезду или треугольник. Поэтому форма ЭДС E_f трехфазной обмотки всегда лучше (ближе к синусоиде) формы магнитного поля в зазоре машины.

Форма кривой напряжения трехфазного генератора характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности линейных напряжений, %,

,          (2.5)

где E_5Лm, E_7Лm, E_11Лm,…– амплитуды высших гармонических линейных ЭДС,E_1Лm – амплитуда первой гармонической линейной ЭДС трехфазной обмотки.

Для генераторов частотой 50 Гц при холостом ходе и номинальном напряжении k_И должен быть не более: 5 % при мощности генератора свыше 100 кВ·А; 10 % при мощности от 10 до 100 кВ·А, то есть форма ЭДС и напряжения реальных синхронных генераторов практически синусоидальна. Поэтому в дальнейшем речь будет идти преимущественно об основных гармонических магнитного поля и ЭДС, обеспечивающих преобразование энергии, а индекс “1”, обозначающий первые гармонические, опускаем.

Зависимость напряжения холостого хода U или ЭДС E_f от тока воз-буждения I_f называют характеристикой холостого хода (х.х.х.).

При опытном определении х.х.х. реального генератора проводят опыт холостого хода (схема на рис. 5.11). Ток возбуждения увеличивают до тех пор, пока ЭДС E_f не будет равна (1,3–1,4) от номинального напряжения U_Н. Далее снимают нисходящую ветвь х.х.х. (кривая 1 на рис. 4.1), уменьшая ток возбуждения I_f до нуля и измеряя ток I_f и ЭДС якоря E_f.

При токе возбуждения I_f = 0 опытная х.х.х. 1 выходит не из начала координат вследствие того, что сохранившийся от предыдущего намагничивания остаточный магнитный поток ротора индуктирует в обмотке якоря небольшую ЭДС ∆E_f = (0,02–0,1)U_Н.

Сместив опытную х.х.х. 1 на ∆I_f вправо (рис. 4.1), определяют используемую при расчетах (расчетную) х.х.х. 2. Согласно формуле (4.2) расчетная х.х.х. повторяет в другом масштабе основную характеристику намагничивания машины Ф_f = f ( I _f ) = φ ( F _f ), вид которой объяснен в параграфе 3.2.

Характеристику холостого хода принято выражать в относительных единицах (о.е.). В качестве базисных принимают номинальное напряжение U_б = U_Н и ток возбуждения F _{f б} = I_{f Х} или МДС F _{f б} = F_{f Х} холостого хода, при которых напряжение обмотки якоря равно номинальному (рис. 4.1). Величину в о.е. обозначают звездочкой. Величины на рис. 4.1 в о.е. равны E_{* f} = E_f /U_б = E_f /U_Н; I_{* f} = I_f /I _{f б} = I_f /I_{f Х}; F_{* f} = F_f /F _{f б} = F_f /F_{f Х}.

Характеристики холостого хода в относительных единицах для подобных машин примерно одинаковы. Поэтому при практических расчетах используют так называемые “нормальные” характеристики холостого хода (табл. 2.1), полученные как некоторые средние по результатам испытаний и расчетов большого числа синхронных машин.

Таблица 2.1

Нормальные характеристики холостого хода:

Т – турбогенераторов; Г – гидрогенераторов