Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

и для генераторов меньшей мощности, так как это позволяет снизить размеры и массу машины.

Начало строительства двухполюсных генераторов с приводом от паровых турбин за рубежом относится к первому десятилетию XX века, а в СССР — после Великой Октябрьской социалистической революции. До 1917 г. в России было выпущено всего лишь несколько небольших генераторов. Первые генераторы мощностью 1,5 и 5 Мет были изготовлены заводом «Электросила» в 1924 г. и в дальнейшем рост мощности генераторов происходил следующим образом: в 1928 г. — 10 Мет, в 1930 г. — 24 Мет, в 1931 г. — 50 Мет,

в 1937 г. — 100 Мет с воздушным охлаждением (тип Т2), в 1945 г. — 100 Мет с водородным охлаждением (тип ТВ2), в 1957 г. — 200 Мет с непосредственным водородным охлаждением обмотки ротора (тип ТВФ), в 1960 г. — 200 Мет с непосредственным водяным охлажде­ нием обмотки статора и непосредственным водородным охлаждением обмотки ротора (тип ТВВ), в 1964 г. — 500 Мет, в 1969 г. — 800 Мет. В настоящее время проектируется генератор 1200 Мет.

Г л а в а т р и д ц а т ь че тв ерт ая РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

34-1. Понятие о реакции якоря

Намагничивающая сила Fn индуктора создает основное магнитное поле (поток Фп), которое является единственным полем при отсутст­ вии нагрузки генератора, т. е. при отсутствии тока в обмотке якоря.

При нагрузке генератора ток в обмотке якоря создает намагни­ чивающую силу якоря, которая вступает во взаимодействие с намаг­ ничивающей силой индуктора и совместно с ней образует резуль­ тирующую намагничивающую силу и результирующее магнитное поле генератора. Это поле отличается от основного поля как по вели­ чине, так и по форме, что в свою очередь влечет за собой изменение величины и формы наводимой в якоре э. д. с. и всех величин, прямо или косвенно зависящих от нее. Таким образом, воздействие намаг­ ничивающей силы якоря на основную намагничивающую силу индук­ тора оказывает большое влияние на работу синхронной машины и по аналогии с машинами постоянного тока называется реакцией якоря.

Сначала рассматривается реакция якоря в трехфазном синхрон­ ном генераторе, где по сравнению с однофазным генератором взаимо­ действие намагничивающих сил индуктора и якоря получается более простым.

При изучении этого вопроса принимается, что все три фазы генератора нагружены симметрично, т. е. во всех трех фазных об­ мотках наводятся одинаковые по величине э. д. с. и текут одинаковые токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 2л/3. Такие

397

токи создают общую вращающуюся намагничивающую силу, поло­ жение амплитуды Fa которой определяется величиной и направле­ нием токов в фазных обмотках (рис. 21-11).

В первом приближении учитываются только первые гармониче­ ские намагничивающей силы якоря и индуктора. Влияние же высших гармонических оговаривается каждый раз особо.

34-2. Реакция якоря синхронного генератора в предельных случаях нагрузки

Взаимное положение магнитных осей якоря и индуктора зависит от характера нагрузки, т. е. от угла ф сдвига фаз между током і1 в обмотке якоря и э. д. с. еП, наводимой в этой обмотке потоком полюсов индуктора. По этому признаку можно выделить три харак­ терных случая нагрузки генератора: 1) ток гх и э. д. с. еп совпадают по фазе и угол ф между ними равен нулю, 2) ток гх отстает от э. д. с.

Ч

почти активная с небольшой емкостной составляющей для ком­ пенсации внутренней индуктивности машины, во втором случае на грузка чисто индуктивная и в третьем случае чисто емкостная.

А. Реакция якоря при ф = 0. В соответствии со сказанным выше, на рис. 34-1, а показана только одна фазная обмотка, состоящая для простоты из одной катушки. Если стороны этой катушки нахо­ дятся в данный момент на оси полюсов, то в ней наводится наиболь­ шая э. д. с. ея — ЕПт. Направление этой э. д. с. определяется по правилу правой руки при условии, что большой палец отводится по направлению перемещения проводника относительно магнитного поля. При ф = 0 ток в катушке достигает амплитудного значения

398

одновременно с э. д. с., их векторы показаны на рис. 34-1, в. Для рассматриваемого момента времени положение амплитуды намагни­ чивающей силы всех фазных обмоток совпадает с магнитной осью катушки, изображенной на рис. 34-1, а, т. е. магнитные оси якоря и индуктора расположены под углом я/2 (рис. 34-1,6). Создаваемое током якоря иоле направлено поперек основного поля, причем на набегающем крае полюса оно ослабляет основное поде, на сбегаю­ щем — усиливает его. Такое поле и соответственно такая реакция якоря называются поперечными. Явление соответствует реакции

чивающая сила индуктора изображена синусоидой 1; намагничиваю­ щая сила якоря — синусоидой 2\ что же касается поля якоря, то оно зависит от того, имеет ли генератор неявнополюсный ротор или явнополюсный. В первом случае зазор по окружности статора один и тот же, т. е. б = const. Если принять магнитную проводимость стали равной бесконечности и учитывать только магнитную проводи­ мость зазора, то можно считать, что линия 2 соответствует в то же время и распределению магнитной индукции якоря в зазоре.

В явнополюсной машине магнитная проводимость Ат между полюсами значительно меньше, чем под полюсами. Поэтому в распре­ делении поля якоря появляются провалы, соответствующие проме­ жуткам между полюсами; магнитная индукция в этом случае пока­ зана на рис. 34-1,6 линией 3, Провалы линии 3 показывают, что при заданной намагничивающей силе якоря поток якоря Фа явнополюс­ ной машины будет меньше, чем поток неявнополюсной машины.

Чтобы учесть это уменьшение, рассматривают явнополюсную машину как неявнополюсную, с соответственно уменьшенной попе­ речной намагничивающей силой якоря.

Пусть Faq — амплитуда намагничивающей силы поперечной ре­ акции якоря неявнополюсной машины (рис. 34-1). Тогда уменьшение этой намагничивающей силы в машине явнополюсного типа учиты­ вается посредством коэффициента поперечной реакции якоря к . Таким образом, в машине явнополюсного типа

достигает максимума спустя четверть периода после достижения максимума еп (рис. 34-2, а), т. е. после поворота ротора из положе­ ния на рис. 34-1, а на половину полюсного деления по направлению его вращения. В этом случае угол между магнитными осями обмотки якоря и полюса индуктора равен я, т. е. ось поля якоря направлена

399

встречно относительно оси поля полюсов. Таким образом, при ин­ дуктивной нагрузке реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничивающий характер (рис. 34-2, а).

Емкостная нагрузка представляет случай, противоположный пре­ дыдущему, а поэтому при емкостной нагрузке реакция якоря син­ хронного генератора имеет продольно-намагничивающий характер

(рис. 34-2, б).

Так же как и на рис. 34-1, а, намагничивающие силы полюсов показаны синусоидой 1, намагничивающие силы якоря — синусои-

Рис. 34-2. Реакция якоря синхронного генератора: а — при индуктивной на­ грузке, б — при емкостной нагрузке

дой 2; те же линии в соответствующем масштабе изображают распре­ деление поля якоря в зазоре неявнополюсной машины; в явнополюс­ ной машине в распределении поля якоря появляются провалы, пока­ занные жирными линиями. Но при индуктивной нагрузке эти про­ валы гораздо меньше, чем при активной. Так же как и в предыду­ щем случае, можно записать:

(34-2)

где Fad — амплитуда продольной намагничивающей силы якоря не­ явнополюсной машины; F'ae — соответственно, явнополюсной; kd — коэффициент продольной реакции якоря. В среднем kd = 0,85.

34-3. Реакция якоря при смешанной нагрузке

При смешанной нагрузке ток і1 сдвинут по фазе относительно э. д. с. еп на угол ф, который находится в пределах -фя/2 ------ я/2.

На рис. 34-3, б показано расположение векторов тока / и э. д. с, ÉD для активно-индуктивной нагрузки, когда 0 < ф < я/2.

По сравнению с рис. 34-1, а ротор повернулся на угол ф и зани­ мает положение, показанное на_рис. 34-3, а. Первая гармоническая намагничивающей силы полюсов индуктора показана линией 1 и

•намагничивающей силы обмотки якоря — линией 2. Угол между магнитной осью обмотки якоря и магнитной осью полюса индуктора составляет я/2 4 -ф (рис. 34-3,в).

400

Исследование реакции якоря в явнополюсноп синхронной машине значительно упрощается, если намагничивающую силу Fa предста­ вить двумя составляющими: поперечной реакцией якоря Faq и про­ дольной реакцией якоря Fad, как это показано линиями 3 и 4 на рис. 34-3, в и соответствующими векторами на рис. 34-3, г. В этом случае

В соответствии с заменой намагничивающей силы Fа двумя со­ ставляющими Fag и Fad, ток в обмотке якоря также может быть

г%

Рис. 34-3. Реакция якоря синхронного генератора при смешанной нагрузке: а — расположение полюсов, б — векторная диаграмма тока и э. д. с., в — рас­

создающими намагничивающие силы Faq и Fad.

При приведении явнополюсной машины к неявнополюсной необ­ ходимо учитывать уменьшение намагничивающей силы по форму­ лам (34-1) и (34-2), т. е.

401

Такую же замену намагничивающей силы Fa двумя составляю­ щими Faq и F adможно произвести и при активно-емкостной нагрузке, только в этом случае продольная реакция якоря Fad оказывает на­ магничивающее действие.

34-4. Реакция якоря однофазной машины

Однофазный режим работы возможен в трехфазном генераторе при однофазном коротком замыкании или несимметричной нагрузке генератора. В этом случае обмотка якоря создает намагничивающую силу неподвижную в пространстве и пульсирующую во времени (рис. 21-5), которая вступает во взаимодействие с намагничивающей силой индуктора, вращающейся со скоростью п.

Как уже известно (§ 21-4), пульсирующую намагничивающую силу можно разложить на две вращающиеся намагничивающие силы, причем каждая из этих составляющих имеет амплитуду, равную половине амп­ литуды пульсирующей намагничивающей силы, но одна из них вращается со ско­ ростью п = 60//р в одну сторону, напри­ мер по вращению ротора, а другая — с той же скоростью п = 60flp в противо­

намагничивающей силой обычным для трех­ фазных машин образом. Эта намагничивающая сила называется син­ хронновращающейся.

Вторая составляющая, называемая обратно-синхронной, вра­ щается относительно ротора с двойной скоростью 2п и наводит в об­ мотке ротора и в сердечниках полюсов токи двойной частоты 2/. В обмотке ротора ток двойной частоты i2f налагается на постоянный ток возбуждения / в (рис. 34-4), в результате чего увеличивается дей­ ствующее значение тока в обмотке ротора (среднее значение тока в обмотке ротора не изменяется).

Так как нагревание определяется действующим значением тока, то эти токи вызовут дополнительные потери и, следовательно, допол­ нительное повышение температуры обмотки ротора. Токи, наводимые в стали ротора, также вызывают дополнительное нагревание. Кроме того, ток i2f может в свою очередь создать в обмотке статора высшие гармонические э. д. с. и этим исказить форму э. д. с. машины.

Из сказанного следует, что действие обратно-синхронной намаг­ ничивающей силы необходимо по возможности уменьшить. Для этого применяются успокоители, представляющие собой медные, латун­ ные или бронзовые стержни, укладываемые в полюсных наконечни­ ках машин с явновыраженными полюсами и замыкаемые в лобовых

402

частях накоротко (рис. 33-2). В машине с цилиндрическим ротором роль этих стержней играют сердечник ротора и металлические кли­ нья, укрепляющие обмотку возбуждения в пазах.

По отношению к обратно-синхронной намагничивающей силе об­ мотка успокоителя играет роль вторичной обмотки замкнутого на­ коротко трансформатора, и в этом случае первичная и вторичная

~намагничивающие силы почти взаимно уравновешиваются (§ 13-3). Остается весьма небольшая результирующая намагничивающая сила, которая не может уже сколько-нибудь заметно влиять на работу машины; при надлежаще рассчитанном успокоителе обратно-синх­ ронное поле уменьшается на 80—85%.

Г л а в а т р и д ц а т ь пятая

ДИАГРАММЫ И ПАРАМЕТРЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

35-1. Изменение напряжения при нагрузке

Одной из важнейших величин, определяющих работу генератора, является изменение напряжения на его зажимах AU при измене­ нии нагрузки генератора. Если считать, что скорость вращения гене­ ратора и ток его возбуждения заданы (и = const и / в = const), то изменение напряжения происходит под влиянием: реакции якоря, изменяющей основной поток машины; потока рассеяния в якоре и активного сопротивления обмотки якоря. Последняя причина по сравнению с двумя первыми обычно весьма невелика и поэтому ее часто не учитывают.

Если не сделана оговорка, то под изменением напряжения пони­ мают номинальное изменение напряжения.

Согласно ГОСТ 183—66, номинальным изменением напряжения генератора называется изменение напряжения на зажимах отдельно от других работающего генератора при изменении нагрузки от но­ минальной до нулевой и при условии, что скорость вращения машины и ее ток возбуждения остаются без изменения. Изменение напряже­ ния обычно выражают в процентах. Таким образом,

и ток возбуждения. Оба эти фактора могут повлечь за собой измене­ ние напряжения большее, чем предусмотренное формулой (35-1).

Вопросы, связанные с изменением напряжения синхронного ге­ нератора, изучаются и решаются с помощью векторных диаграмм. Но

403

так как на диаграммах изображаются только первые гармонические переменных величин, то они, не будучи точными, все же дают резуль­ таты, близко совпадающие с действительными.

35-2. Основная диаграмма э.д.с. (диаграмма Блонделя)

При построении основной диаграммы э. д. с. считают, что в син­ хронном генераторе существуют независимо один от другого сле­ дующие магнитные потоки и создаваемые ими э. д. с.: 1) магнит­ ный поток Фп и создаваемая им э. д. с. Еп; 2) продольный и попереч­ ный потоки реакции якоря Фагі и Фад, создаваемые намагничиваю­ щими силами Fad и Faq и в свою очередь создающие э. д. с. Ead и Eaq\ 3) поток рассеяния Фа и создаваемая им э. д. с. рассеяния Еа\

кроме того, в генераторе имеет место падение напряжения

Ниже поясняется ход построения диаграммы в предположении, что все ее векторы известны. В дальнейшем показано, как определяются отдельные величины э. д. с.

Вектор тока Д направлен горизон­ тально (рис. 35-1). Пусть вектор э. д. с.

фазе. Э. д. с. рассеяния Еа отстает от Фа и, следовательно, от тока Д

на я/2. Наконец падение напряжения І1г1 в активном сопротивле­ нии гг находится в фазе с током І г.

После сложения всех перечисленных выше э. д. с. в последова­ тельности, которая показана на рис. 35-1, получается напряжение

на зажимах генератора U = ОК, опережающее ток Д на угол ср, определяемый характером нагрузки во внешней цепи генератора.

Основная диаграмма э. д. с. позволяет учесть все главные фак­ торы, определяющие напряжение синхронного генератора, в их

404

взаимодействии между собой. Но современная теория синхронной машины пользуется рядом параметров, для обоснования которых основную диаграмму э. д. с. нужно перестроить.

35-3. Диаграмма э.д.с. преобразованная

Так как э. д. с. Еа и Ead наводятся потоками Фа9 и Фа<г, которые создаются токами / и Id, то их можно выразить аналогично э. д. с. Е трансформатора ( § 13-3), а именно:

Здесь x-aq и xad — индуктивные сопротив­ ления поперечной и продольной реакции якоря.

Э. д. с. Е0 = CD (рис. 35-1) можно раз­ ложить на две составляющие: Cm = ВМ по направлению э. д. с. ЕПи Dm в перпендпку' лярном направлении. Так как угол CDM = = ф, то, имея в виду только абсолютные значения, можно написать:

Cm = ВМ = Еаsin ф = Ігхс sin ф = Idxa;

mD — Еаcos ф = Ігхаcos ф = I xa.

Следовательно,

AM = AB -}-ВМ = Idxad.-ГIdxa ~

Величины xad -f ха ~ xd и xaq -f ха = xq называются синхрон­ ными индуктивными сопротивлениями машины по продольной и поперечной осям или, короче, продольной и поперечной синхрон­ ными индуктивными сопротивлениями машины.

Для случая емкостной нагрузки преобразованная диаграмма э. д. с. построена на рис. 35-2, б. В данном случае э. д. с. Ed = AM направлена согласно с э. д. с. Еп, тогда как на рис. 35-2, а — встречно относительно нее. Это объясняется тем, что при индуктивной на­ грузке продольная реакция якоря размагничивает генератор, а при емкостной намагничивает его.

405

Обычно сопротивления xd, xq и xg выражаются не в омах, а в от­ носительных единицах или в процентах. Так, например,

35-4. Определение параметров диаграммы э.д.с.

Для определения параметров xd, xq и ха нужно иметь: характе­ ристику холостого хода; характеристику трехфазного короткого замыкания; индуктивную нагрузочную характеристику.

А. Характеристика холостого хода. Характеристика холостого

нике 2 синхронный генератор работает вхолостую.

Современные синхронные генераторы имеют так называемую нор­ мальную характеристику холостого хода, выраженную в относи­ тельных единицах (рис. 35-4). При этом за единицу напряжения принимают номинальное напряжение 77н, а за единицу тока возбу­ ждения — такой ток 7В, который при холостом ходе создает единицу напряжения, т. е. С70# = £/н* = 1.

Машины с нормальной характеристикой имеют достаточное ис­ пользование активной стали и изменение напряжения в пределах норм, в то же время не требуют слишком большой намагничиваю­ щей силы возбуждения.

Б. Характеристика трехфазного короткого замыкания. Характе­ ристика короткого замыкания представляет собой зависимость

4UÖ