Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 7 из 42)
. (1.20б)Э. д. с. Ėsa, индуктируемую в обмотке якоря потоком рассеяния, можно представить в виде суммы двух составляющих – Ėsadи Ėsaq, ориентированных по осям d–dи q–q:
, (1.21)где
; 
, (1.22)так как
; 
Рис. 1.25 – Упрощенные векторные диаграммы синхронной явнополюсной машины:
а–с учетом активного падения напряжения в якоре: б – без учета этого падения напряжения; в–с заменой э. д. с. на реактивные падения напряжения
С учетом (1.22) вместо (1.20б) получим
, (1.23а)где Ėd = Ėad + Ėsad и Ėq = Ėaq + Ėsaq.
Векторная диаграмма, построенная по (1.23а), приведена на рис. 1.25, б.
Заменяя э. д. с. соответствующими реактивными падениями напряжения, будем иметь
, (1.23б)где xd = xad+xsa; xq= xaq+ xsa.
Сопротивления xdи xqназывают полными или синхронными индуктивными сопротивлениями обмотки якоря по продольной и поперечной осям.
На рис. 8–25, в приведена векторная диаграмма, построенная по (8–23б). Если заданы векторы тока İаи напряжения Ù, а угол ψ неизвестен, то его можно определить, проведя из конца вектора напряжения Ù отрезок 
, равный Iахqи перпендикулярный вектору тока. Конец построенного отрезка будет расположен на векторе э.д. с. Ė0или его продолжении, так как проекция отрезка на вектор Ėqравна модулю этого вектора:
.1.7 Внешние и регулировочные характеристикисинхронного генератора
Построение внешних характеристик. Внешние характеристики синхронного генератора представляют собой зависимости напряжения Uот тока нагрузки Iапри неизменных токе возбуждения Iв, угле φ и частоте f1(постоянной частоте вращения ротора n2).
Рис. 1.26–Упрощенные векторные диаграммы синхроннойнеявнополюсной машины
Они могут быть построены при помощи векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке Iаном генератор имеет номинальное напряжение Uном, что достигается соответствующим выбором тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора станет равным э.д. с. холостого хода Е0. Таким образом, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз φ между Ù и İа, так как в зависимости от этого угла изменяется величина вектора Ė0(при заданном значении U = Uном).
На рис. 1.26 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а), активно-индуктивной (б)и активно-емкостной (в) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках Е0> U; при активно-емкостной нагрузке Е0< U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем – увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а в двух других случаях–продольная размагничивающая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0).
Рис. 1.27–Внешние характеристики синхронного генераторапри различном характере нагрузки
На рис. 1.27 изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении Uном(а) и при одинаковом значении Uo = Eo (б). Во втором случае при U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока короткого замыкания Iк.
Изменение напряжения. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной
(1.24)Обычно генераторы работают с cosφ = 0,9 ÷ 0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu% = 25 ÷ 35%. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, требуется применять специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Δи%, тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δи%. Однако небольшую величину Δи% можно получить, уменьшая синхронное индуктивное сопротивление хсн (в неявнополюсных машинах) или соответственно хdи xq(в явнополюсных машинах), т.е. поток якоря, для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. При таком способе уменьшения Δи% необходимо увеличивать м.д. с. обмотки возбуждения, что заставляет увеличивать размеры этой обмотки и делать в конечном итоге синхронную машину более дорогой.
В мощных турбогенераторах мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δи%.
В гидрогенераторах (по сравнению с турбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т.е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δи%.
Рис. 1.28 – Регулировочные характеристики синхронного генераторапри различном характере нагрузки
Регулировочные характеристики синхронного генератора. Эти характеристики (рис. 1.28) представляют собой зависимости тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iапри неизменных напряжении U, угле φ и частоте f1. Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что при возрастании нагрузки необходимо при φ > 0 увеличивать ток возбуждения, а при φ < 0-уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.
1.8 Определение индуктивных сопротивленийсинхронной машины
Опыты холостого хода и короткого замыкания. Синхронные индуктивные сопротивления машины могут быть найдены по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.
При опыте холостого хода определяют характеристику холостого хода E0 = f(Iв) при номинальной частоте вращения машины, изменяя ток возбуждения Iв.
При опыте короткого замыкания фазы обмотки якоря замыкают накоротко через амперметры, после этого ротор приводят во вращение с номинальной частотой и снимают характеристику короткого замыкания, т.е. зависимость тока якоря от тока возбуждения Iа = f(Iв). Эта характеристика (рис. 1.29, а) имеет линейный характер, так как при rа ≈ 0 сопротивление цепи якоря является чисто индуктивным и ток короткого замыкания Iк = Id(рис. 1.29, б)создает поток реакции якоря, размагничивающий машину. В результате магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной, т.е. э. д. с. Е0и ток Iк будут изменяться пропорционально току возбуждения Iв.
При работе машины в рассматриваемом режиме напряжение U = 0, поэтому уравнения (1.23б) и (1.19в) принимают вид:
для явнополюсной машины
; (1.25а)для неявнополюсной машины
. (1.25б) 
Рис. 1.29–Характеристики холостого хода и короткого замыкания (а)и векторная диаграмма явнополюсной машины при коротком замыкании (б)
Определение индуктивных сопротивлений xdи xq.Из формулы (1.25а) можно определить синхронное индуктивное сопротивление машины по продольной оси
, (1.26a)где э. д. с. Е0и ток Iк должны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения (рис. 1.29, а). Для прямолинейного участка характеристики холостого хода безразлично, при каком токе возбуждения определяется xd, так как во всех случаях xd = const. Такое же значение сопротивления xdбудет при любом значении тока возбуждения, если величину Е0находить по спрямленной характеристике холостого хода. Полученное таким путем значение xdбудет соответствовать ненасыщенной машине. Для насыщенной машины значение xdуменьшается и его можно было бы определить по формуле (1.26а), подставляя в нее действительное значение э.д. с, полученное по характеристике холостого хода. Однако значение xdнасс учетом насыщения будет справедливо только для одной точки характеристики, соответствующей определенной величине потока по продольной оси. Изменение тока возбуждения ведет к изменению хdнас, при этом приходится оперировать с переменной величиной, что крайне неудобно. Поэтому практически употребляется только ненасыщенное значение xd, а учет насыщения, если это требуется, производится непосредственным определением соответствующих э. д. с. по характеристике холостого хода (как это было показано при построении диаграммы Потье).