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. Е0 и Ек практически 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 якоря с 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 хк приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения Ud по сравнению с его значением Ud0 при 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.
Использование мощности. При работе синхронного генератора на выпрямитель реализуемая мощность становится меньше номинальной мощности или, как говорят, использование генератора ухудшается. Рассмотрим этот вопрос применительно к двум наиболее распространенным схемам выпрямления, заменив для простоты реальную форму тока прямоугольной с высотой Id, как это показано на рис. 1.42, а штриховой линией.
При трехфазной нулевой схеме выпрямления (рис. 1.41, а) мощность одной фазы генератора
. (1.42)
При прямоугольной форме тока действующее значение тока в любой фазе , где τ = T/3-время прохождения тока через данную фазу; Т – период изменения тока. Следовательно, мощность фазы
. (1.42)
Поскольку мощность одной фазы синхронного генератора при работе без выпрямителя Рф = IaEacosφ, то коэффициент использования генератора при трехфазной нулевой схеме выпрямления
.
Таким образом, при cosφ =l и α = 0, т.е. при отсутствии регулирования, мощность генератора, работающего на выпрямитель, снижается примерно на 1/3 по сравнению с мощностью генератора, работающего на чисто активную нагрузку. Объясняется это тем, что ток проходит через фазу только в течение 1/3 периода.
Лучшее использование генератора обеспечивается при применении трехфазной мостовой схемы выпрямления (рис. 1.41, б), при которой ток проходит через фазу в течение 2/3 периода. В этом случае мощность одной фазы генератора
, (1.42в)
а действующее значение тока фазы Ia = Id√ 2/3. Следовательно, мощность фазы генератора
, (1.42 г.)
а коэффициент использования
.
При увеличении угла регулирования α использование ухудшается, так как уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения. Одновременно в этом случае первая гармоника тока якоря İа все более отстает по фазе от э. д. с. Ėк, вследствие чего возрастает размагничивающее действие реакции якоря. При построении векторной диаграммы синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, вектор якоря Iа будет отставать на угол α + 0,5γ от вектора э. д. с. Ėк, а величина cos (α + 0,5γ) будет играть приблизительно такую же роль, как и cosφ при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку (без выпрямителя).
Потери мощности. Высшие гармоники тока якоря создают дополнительные электрические потери в проводниках обмотки якоря (из-за явления вытеснения тока), увеличивая на 5–8% основные электрические потери в ней. Дополнительные магнитные потери в стали магнитопровода, появляющиеся от высших гармоник поля, очень невелики, так как высшие гармоники м.д. с. существенно уменьшаются токами демпферной обмотки. Генераторы, работающие на выпрямитель, целесообразно снабжать мощными демпферными обмотками еще и потому, что это уменьшает сверхпереходные индуктивности (см. 1.18), от которых зависит угол коммутации γ, влияющий на использование генератора.
1.13 Синхронный двигатель
Как было показано ранее, синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети соотношением n2, = n1 = 60f1/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.
Векторные диаграммы. По основным комплексным уравнениям синхронной машины (1.19в) и (1.23б) могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в указанные уравнения вместо величины Ù надо подставить – Ùс, так как не принято говорить о «напряжении двигателя»; при этом для не-явнополюсной и явнополюсной машин будем иметь:
. (1.43)
Построение векторных диаграмм (рис. 1.45, а, б) по формулам системы (1.43) рекомендуется начинать с изображения векторов Ùс и – Ùс. Далее строится вектор тока İа, активная составляющая которого совпадает с направлением вектора Ùc, и определяют вектор Ė0. При построении диаграммы для явнополюсной машины (рис. 1.45, б) нужно так же, как это делалось в диаграмме для генератора (см. рис. 1.25, в), вначале определить направление вектора Ė0, прибавив к – Ùc вспомогательный вектор
Рис. 1.45 – Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного (а) и явнополюсного (б) двигателя
Для выяснения свойств синхронного двигателя рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента Мвн и постоянном токе возбуждения; при этом для простоты будем пользоваться векторной диаграммой неявнополюсной машины. Допустим, что двигатель работает при cosφ = l, чему на векторной диаграмме (рис. 1.46, а) соответствуют ток İа1 и угол θ1. С повышением нагрузки увеличивается угол между векторами Ė0 и – Ùс до какого-то значения θ2, так как согласно (1.35а) вращающий момент М = Мвн пропорционален sinθ. При этом конец вектора Ė0 перемещается по окружности с радиусом, равным Е0, и при принятых условиях (Iв = const; E0 = const и Uc = const) вектор тока İа2 также поворачивается вокруг точки 0, располагаясь перпендикулярно вектору – jİа2xсн Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя İа2 будет иметь отстающую реактивную составляющую.
Если нагрузка двигателя снизится по сравнению с исходной, то угол θ уменьшится до значения θ3. При этом ток двигателя İа3 будет иметь опережающую реактивную составляющую.
Следовательно, изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его cosφ: при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с cosφ = 1 или с опережающим током; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.
Рис. 1.46 – Упрощенные векторные диаграммы синхронного двигателя:
а – при изменении нагрузочного момента на валу; б – при изменении э. д. с. Е0 путем регулирования тока возбуждения
Если при неизменной активной мощности менять ток возбуждения, то будет меняться только реактивная мощность, т.е. величина cosφ. Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 1.46, б. Если двигатель работает при cosφ = l, то этому режиму соответствует э.д.с. Ė01 и некоторый угол θ1. При уменьшении тока возбуждения э.д.с. Ė0 снижается до Ė02. Поскольку активная мощность остается неизменной, из условия Р = Рэм = mUc (E0/xсн) sinθ = const получим, что Е01 sin θ1 = Е02 sinθ2 Отсюда следует, что конец вектора Ė0 при изменении тока возбуждения будет перемещаться по прямой ВС, параллельной вектору Ùc и проходящей через конец вектора Ė01 Из векторной диаграммы (рис. 1.46, б) видно, что угол θ2 будет больше θ1.
Аналогично строится диаграмма при увеличении тока возбуждения. В этом случае э д с Ė0 возрастает до величины Ė03 и угол θ3 становится меньшим θ1. Вектор – jİа3xсн поворачивается вокруг точки А и соответственно ему изменяет направление вектор тока İa3, перпендикулярный вектору – jİa3xсн
При этом из условия равенства активных мощностей имеем: Ia1 cosφ1 = Iа2 cosφ2 = Ia3 cosφ3, конец вектора тока İа перемещается по прямой DE, перпендикулярной вектору Ùc По диаграмме, приведенной на рис 1.46, б, можно построить U-образные характеристики для двигателя Iа = f(Iв), которые будут иметь такую же форму, как и характеристики для генератора (см рис 1.40), с той лишь разницей, что для двигателя угол сдвига фаз φ принято отсчитывать от вектора напряжения сети Ùc Поэтому при недовоз-буждении ток İа будет отставать от напряжения сети Ùc, т.е. двигатель будет потреблять из сети реактивную мощность Q, а при перевозбуждении ток будет опережать напряжение сети Ùc, т.е. двигатель будет отдавать в сеть реактивную мощность
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
