Векторная диаграмма синхронного генератора. Влияние явнополюсности генератора. Основные характеристики, параметры и соотношения

Лекция 21

Векторная диаграмма синхронного генератора. Влияние явнополюсности генератора.Основные характеристики, параметры и соотношения.

Возникновение короткого замыканияна зажимах синхронного генератора (СГ) или вблизи расположенных точек сети приводит к появлению в машине переходного процесса. Во время переходного процесса изменяются ЭДС и токи короткозамкнутой цепи от их номинальных значений, которые они имели перед коротким замыканием, до новых значений, соответствующих установившемуся режиму КЗ.

Рассмотрим СГбез демпферной обмотки в нормальном режиме (установившемся):

Рис.1

Ф_aq – поток реакции якоря по поперечной оси;

Ф_ad – поток реакции якоря по продольной оси;

Ф_Gf – поток рассеяния обмотки возбуждения;

Ф_f – полный поток обмотки возбуждения;

Ф_d - полезный поток.

Полный поток  обмотки возбуждения Ф_f, создаваемый протекающим в ней током, состоит из потока рассеяния обмотки возбуждения, сцепленной только с обмоткой возбуждения не проникающей в статор машины Ф_Gf, и полезного потока, который проникает в статор, пересекая воздушный зазор Ф_d. Полезный поток будет сцеплен с обмоткой статора и вращаясь вместе с ротором наводит в ней ЭДС, которая отстает на 90° и называется ЭДС холостого хода Е_q. При включении обмотки статора на нагрузку в ней будет протекать ток I и в зависимости от характера он будет иметь опережающий или отстающий характер. Обычно нагрузка активно-индуктивная, то ток отстает на от  Е_q. При протекании тока I создаются собственные магнитные поля, называемые потоками реакции якоря, которые оказывают значительное влияние на характеристики СГ во всех его режимах работы под нагрузкой.

При явнополюсном исполнении генератор имеет магнитную нессиметрию по продольной и поперечной осям, так как воздушный зазор по этим осям различен.

При любом исполнении (явнополюсном и неявнополюсном) имеется электрическая нессиметрия ротора, т.к. обмотка располагается только по продольной оси «d» и сцепляется только с потоком якоря, действующим по этой же оси.

Из-за нессиметрии генератора расчет потоков реакции якоря и их влияние на переходной процесс сложен, поэтому Блондель предложил учитывать реакцию по двум осям (метод двух реакций).

Метод двух реакций основан на принципе наложения, при котором предполагается, что магнитные потоки, действующие по поперечной оси не влияют на величину потоков, действующих по продольной оси и наоборот. На практике имеет место насыщение участков в магнитной цепи синхронной машины, то такое предположение вносит в расчет определенную погрешность, которая может быть уменьшена введение соответствующих корректив в результаты расчета, тем самым, упрощая расчеты.

Построение векторной диаграммы СГ

Допущения при построении: цепь статора активно-индуктивная, поэтому ток отстает по фазе на угол y.

1.Поток Ф_d, проходящий через воздушный зазор и пронизывающий обмотку статора, располагают по продольной оси d ротора.

рис.2

2.Наводимая потоком Ф_d ЭДС в обмотке статора Е_q отстает от этого потока на 90° и направлена поэтому по оси q.

3.Ток статора I, вызываемый ЭДС Е_q, отстает от Е_q на угол y (так как было принято активно-индуктивный характер нагрузки).

4.Проекции тока статора I на оси d и q –I_d и I_q соответствуют созданным продольному Ф_ad  и поперечному Ф_aq потокам реакции статора (если цепь индуктивно-активная y>0 – реакция статора размагничивающая, если y<0, цепь носит активно-емкостной характер- реакция статора намагничивающая.

5. Если вычесть из Ф_d потоки реакции статора, то получится результирующий магнитный поток в воздушном зазоре Ф_d.

6. Ток статора I помимо потоков реакции статора, создает еще и поток рассеяния Ф_G, сцепленный только с обмоткой статора и находящийся в фазе с током I.

7. Ф_d +Ф_G=Ф_Sст – суммарный поток, сцепленный с обмоткой статора, учитывающий суммарное воздействие от потока обмотки возбуждения, реакции статора и потока рассеивания статора.

8.Поток Ф_Sст  создает напряжение U на зажимах статора, равное сумме индуктированных в обмотке статора ЭДС каждым из рассмотренных потоков и сдвинутое по отношению к Ф_Sст на 90°.

Этому соответствует уравнение напряжений:

                                                            (1)

Индуктированую ЭДС можно представить как падение напряжение на некотором индуктивном сопротивлении:

                                                                        (2)

После подстановки системы уравнений в (1):

                                           (3)

Уравнение может быть прочитано: напряжение генератора равно E_q, индуктированой потоком возбуждения, за вычетом падения напряжения на индуктивных сопротивлениях реакции якоря X_aq   и X_ad и индуктивном сопротивлении рассеяния X_G.

Разложим E_G  на Е_Gd  и E_Gq:

X_d и X_q - синхронные реактивные сопротивления по продольной и поперечной оси обмотки якоря.

Примечание: синхронные сопроитвления – сопротивления соответствующие синхронному режиму работы с симметричной нагрузкой.

На практике векторные диаграммы строят по известным (заданым) параметрам: величина тока и напряжения, угол сдвига фаз между током и напряжением.

Векторная диаграмма явнополюсного синхронного генератора.

Рис.3

Порядок построения:

1.Произвольно откладываем вектор U_H и под углом j вектор  I_H.

2. Через конец вектора U_H проводим вектор I_H X_q перпендикулярный I_H.

3.Определяем положение оси «q», проведя прямую из начала координат и  через конец вектора I_H X_q, и Е_q -фиксированая (расчетная) ЭДС, соединив начало координат и конец вектора I_H X_q.

4. Определяем положение оси «d», перпендикулярно оси «q».

5. Опускаем перпендикуляр из конца вектора I_H на ось «d» и «q» и получаем составляющие тока I_d и I_q.

6. Определяем Е_q = Е_q+I_d(X_d-X_q)=U+ I_dX_d+I_qX_q.

Векторная диаграмма для неявнополюсного СГ.

X_d=X_q

Порядок построения такой же, но диаграмма проще, так как отстутсвует I_d(X_d-X_q).

 

Рис.4

Из векторной диаграммы:

Основная характеристика СГ

Характеристика холостого хода (Х.Х.Х.) – зависимость ЭДС Х.Х. от тока возбуждения Е_q = f(I_f).

Характеристика предствляется в относительных единицах с целью обобщенного универсального вида.

Рис.5

За единицу ЭДС Х.Х. принимается U_н.

За единицу тока возбуждения принимается такой ток, при котором E_xx=U_ном

Часто в расчетах используется не насыщенная характеристика, а прямолинейная.

Аналитическая характеристика Х.Х.: E_q=CI_f

C – коэффициент пропорциональности, численно равен ЭДС при ненасыщенном возбуждении. 

Характеристика Х.Х. нужна, чтобы зная I_f найти E_q

Если величина I_f не задана, то E_q можно определить из ВД предшествующего режима.

Если в установившемся режиме  I_f такое, как до К.З., то и E_q – такое же.

Синхронный генератор также характеризуется синхронными реактивностями X_d  и X_q,  реактивностью рассеяния статора X_G, предельным током возбуждения. Предельный ток возбуждения зависит от системы возбуждения и ее параметров, а также от типа генератора.