Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 12 из 42)
Приведенные диаграммы показывают, что при изменении внешнего момента, приложенного к валу синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, изменяется не только активная мощность, но и реактивная. Поэтому обычно, для того чтобы обеспечить наиболее благоприятный или требуемый режим работы, при изменении активной мощности приходится регулировать и ток возбуждения.
Рис. 1.39 – Векторные диаграммы синхронного генератора при Iв = const, М = varи Iв = var, М = const
Работа генератора с неизменным моментом при различных значениях тока возбуждения. Неизменность внешнего момента на валу генератора эквивалентна неизменности его мощности:
.При работе на сеть большой мощности Ù = – Ùc= const, следовательно, при изменении тока возбуждения останется постоянной активная составляющая тока якоря Iacosφ = const.
На векторной диаграмме (рис. 1.39, б)это условие выразится в том, что конец вектора тока будет скользить по прямой АВ, перпендикулярной вектору напряжения Ù.
Однако при неизменной мощности (для машины с неявно выраженными полюсами) справедливо будет условие
.При изменении тока возбуждения остаются неизменными все величины, кроме Е0и sinθ; следовательно, условие неизменной мощности приводит к условию
.На диаграмме (рис. 1.39, б) конец вектора Ė0скользит по прямой CD, параллельной вектору напряжения Ù. Чем меньше ток возбуждения, тем меньше по модулю вектор Ė0, но зато больше угол θ.
Вектор тока İа перпендикулярен направлению вектора падения напряжения jİaxсн,поэтому его можно построить, если задаться углом θ. Легко заметить, что минимальному значению тока Iа соответствует режим работы при cosφ = 1, чему отвечает вполне определенный ток возбуждения.
Рис. 1.40 – U-образные характеристики синхронного генератора
Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая U-образной характеристикой, представлена на рис. 1.40. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбуждения, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем большим должен быть ток возбуждения, отвечающий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная через точки минимумов, соответствует режимам работы генератора с соsφ = 1.
1.12 Особенности работы синхронного генератора на выпрямительную нагрузку
В последнее время все более часто генератор постоянного тока заменяют синхронным генератором, на выходе которого включен полупроводниковый выпрямитель (рис. 1.41). Замена генератора постоянного тока синхронным дает возможность выполнить его более быстроходным, что в свою очередь позволяет существенно уменьшить габариты и массу машины. Это объясняется тем, что в машинах постоянного тока для обеспечения удовлетворительной коммутации (см. гл. X) приходится ограничивать окружную скорость коллектора, а следовательно, и ротора. Кроме того, эксплуатация синхронного генератора, в котором отсутствует коллектор, существенно проще, а надежность выше, чем у генератора постоянного тока.
Рис. 1.41 – Схемы синхронного генератора, работающего на выпрямитель при трехфазной нулевой (а) и мостовой (б) схемах выпрямления
При работе генератора в схеме, на выходе которой включен выпрямитель, ток в фазах обмотки якоря является несинусоидальным. В зависимости от схемы включения вентилей этот ток будет представлять собой ряд или однополярных, или двухполярных импульсов, форма которых близка к трапеции (рис. 1.42, а, б). В ряде случаев выпрямитель, включенный на выход синхронного генератора, выполняют управляемым (на тиристорах). Задерживая моменты открытия тиристоров на некоторый угол α (угол регулирования) относительно моментов, соответствующих началу прохождения тока через вентили в схеме неуправляемого выпрямителя (на диодах), можно по желанию изменять среднюю величину выпрямленного напряжения. Применение управляемого выпрямителя позволяет осуществлять быстродействующее регулирование синхронного генератора, так как при этом не требуется изменять его ток возбуждения. В этом случае можно также питать от одного генератора несколько нагрузок, регулируя напряжение на каждой из них независимо от других.
Рис. 1.42 – Графики изменения э. д. с. и тока в фазе обмотки якоря при работе синхронного генератора на выпрямительную нагрузку
Обычно нагрузка (на стороне постоянного тока) имеет большую индуктивность, вследствие чего ток нагрузки Idв большинстве случаев может быть принят постоянным. Переход тока от одной фазы обмотки якоря к другой не может происходить мгновенно из-за индуктивности этих фаз. Поэтому в течение времени, соответствующего углу коммутации γ, ток проходит одновременно через два вентиля и две фазы: в одной он возрастает от нуля до Id, а в другой уменьшается (рис. 1.43). В результате первая гармоника тока фазы отстает от напряжения генератора на угол, примерно равный (0,5 ÷ 0,6) γ. При включении на выход генератора управляемого выпрямителя первая гармоника тока фазы отстает от э. д. с. на угол α + 0,5γ. Угол коммутации γ может быть вычислен по формуле
,где хк– сопротивление фазы в режиме коммутации; Ек – действующее значение фазной э.д.с. за сопротивлением хк.
При коммутации одновременно открыты однополярные вентили двух фаз (рис. 1.43), вследствие чего эти фазы оказываются замкнутыми накоротко и ток из одной фазы переходит в другую под действием разности фазных э.д.с.
Так как время коммутации вентилей очень мало (доли периода), электромагнитные процессы в машине протекают в это время так же, как и на начальном этапе внезапного двухфазного короткого замыкания (см. 1.18). При этом в качестве сопротивления хк следует принимать индуктивное сопротивление для этого режима
.Физически это означает, что несииусоидальный ток в обмотке якоря создает высшие гармоники м. д с якоря и соответствующие потоки, которые индуктируют в демпферной обмотке и обмотке возбуждения высшие гармоники э. д. с. и токов. В результате этого форма и величина результирующего магнитного потока остаются практически неизменными.
Векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, показана на рис. 1.44, а и соответствует уравнению:
. (1.41)В данном случае берется первая гармоника тока Ia, a э. д. с. Е0и Екпрактически синусоидальны, так как индуктируются синусоидальным магнитным потоком.
Для машины с явно выраженными полюсами векторная диаграмма (рис. 1.44, б) строится по уравнению:
. (1.41)Вектор первой гармоники напряжения на диаграмме обычно не показывают, так как для генератора, нагруженного на выпрямитель, важным является среднее значение выпрямленного напряжения Ud.
Рис. 1.43–Графики изменения э д с, напряжения и тока в фазах обмотки якоряс учетом коммутации тока в выпрямителе
Рис. 1.44–Векторные диаграммы синхронного генератора,работающего на выпрямительную нагрузку
При рассмотрении рис. 1.43 легко заметить, что в период коммутации вентилей, включенных, например, в фазы А и В, мгновенное значение выпрямленного напряжения ud= 0,5 (еА– еВ), т.е. меньше, чем при отсутствии коммутации. Следовательно, наличие индуктивного сопротивления хкприводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения Udпо сравнению с его значением Ud0при отсутствии коммутации и к увеличению пульсаций в кривой выпрямленного напряжения (показана жирной линией на рис. 1.43).
Величина среднего выпрямленного напряжения с учетом коммутации тока в выпрямителе при Id = const
,
где Ud0–среднее значение выпрямленного напряжения без учета коммутации тока в выпрямителе (идеализированные условия); ΔUк=mnIdxк/(2π) – среднее значение падения напряжения, обусловленного коммутацией тока в выпрямителе; n – число последовательно включенных коммутационных групп вентилей («1» – при нулевой и «2» – при мостовой схемах).
При этом в общем случае
.
При включении выпрямителя по трехфазной нулевой схеме Ud0=1,17Eк, а по трехфазной мостовой схеме Ud0 = 2,34Eк, так как к вентилям приложена линейная э. д. с. и схема выпрямления эквивалентна шестифазной.