Реактивная мощность. Для установления зависимости реактивной мощности Q от угла нагрузки θ в неявнополюсной машине рассмотрим треугольник ОАВ (см. рис. 1.34, а). Сторона этого треугольника
или с учетом модулей соответствующих векторов
. (1.38)
Следовательно, реактивная мощность машины
. (1.39а)
При явнополюсной машине (см. рис. 1.34, б)
. (1.39б)
Подставляя в (1.39б) значения токов Id и Iq из (1.34), имеем
.
Заменив cos2θ и sin2θ их значениями через функции двойного угла 2θ, получим
. (1.39в)
На рис. 1.38 показаны зависимости величин активной Р и реактивной Q мощностей от угла θ для неявнополюсной машины в пределах изменения угла – π/2 < θ < π/2.
В формуле (1.39в) и на рис. 1.38 положительному значению реактивной мощности соответствует режим, когда реактивная составляющая тока якоря отстает от вектора напряжения генератора, т.е. когда машина работает с перевозбуждением. В этом режиме по отношению к сети реактивная мощность генератора эквивалентна реактивной мощности конденсатора.
Максимальная реактивная мощность неявнополюсной машины соответствует θ = 0, т.е. имеет место при холостом ходе машины:
. (1.40)
Рис. 1.38 – Зависимости мощностей Р и Q от угла нагрузки θ для неявнополюсной машины
1.11 Режимы работы синхронного генератора при параллельном включении с сетью
Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью большой мощности, происходит при изменении внешнего момента и тока возбуждения.
Для того чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируется и ток возбуждения, и вращающий момент.
Методически проще разобрать два предельных случая регулирования:
а) момента при неизменном токе возбуждения;
б) тока возбуждения при неизменном внешнем моменте.
Работа генератора с неизменным током возбуждения при различных значениях момента. Для генератора с неявно выраженными полюсами векторную диаграмму (рис. 1.39, а) строят по уравнению
.
На векторной диаграмме показан вектор напряжения сети Ùс, который по контуру обмотки генератора имеет направление, встречное к вектору напряжения генератора, т.е. Ù = – Ùс.
Если генератор работает с cosφ = 1, то вектор тока якоря İa1 совпадает по направлению с вектором напряжения Ù, а вектор э. д. с. Ė02 опережает эти векторы на угол θ1. При изменении нагрузки, например при ее возрастании, угол θ должен увеличиться до какого-то значения θ2 в соответствии с возрастанием мощности от PI до РII.
Принимая полезную мощность (отдаваемую в сеть) равной электромагнитной
для соотношения мощностей РI и РII получим
.
Таким образом, при увеличении мощности с РI до РII вектор э. д. с. Ė0 повернется в сторону опережения и образует с вектором Ù угол θ2. Легко заметить, что при изменении нагрузки конец вектора Ė0 будет скользить по окружности, радиус которой равен модулю Е0, так как ток возбуждения остается неизменным.
Соединив конец вектора Ù с концом вектора Ė01, получим вектор jİa2xсн, после чего построим вектор тока İа2; он будет перпендикулярен падению напряжения jİa2xсн, а его модуль определится из соотношения
.
Если момент, приложенный к валу генератора, уменьшен по сравнению с моментом в исходном режиме, то новый угол θ, будет меньше угла θ1. Построение всех векторов (рис. 1.39, а) на диаграмме и в этом случае производится аналогично описанному в предшествующем примере.
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 = var и 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 Ia cosφ = 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 Е0 и sinθ; следовательно, условие неизменной мощности приводит к условию
.
На диаграмме (рис. 1.39, б) конец вектора Ė0 скользит 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 Id в 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36
