Betriebsarten von Synchrongeneratoren, Betriebseigenschaften von Generatoren

Die Hauptgrößen, die den Synchrongenerator charakterisieren, sind: Klemmenspannung U, Ladung I, Scheinleistung P (kVa), Rotorumdrehungen pro Minute n, Leistungsfaktor cos φ.

Die wichtigsten Eigenschaften des Synchrongenerators sind folgende:

• Leerlaufkennlinie,

• äußeres Merkmal,

• Regelcharakteristik.

Leerlaufkennlinie eines Synchrongenerators

Die elektromotorische Kraft des Generators ist proportional zur Größe des magnetischen Flusses Ф, der durch den Erregerstrom iv und die Anzahl der Umdrehungen n erzeugt wird Rotor des Generators pro Minute:

E = cnF,

wobei s — Proportionalitätsfaktor.

Obwohl die Größe der elektromotorischen Kraft eines Synchrongenerators von der Anzahl der Umdrehungen des Rotors abhängt, ist es unmöglich, sie durch Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors anzupassen, da die Frequenz der elektromotorischen Kraft mit der Anzahl der Umdrehungen zusammenhängt Umdrehungen des Rotors des Generators, die konstant gehalten werden müssen.

Daher bleibt die einzige Möglichkeit, die Größe der elektromotorischen Kraft eines Synchrongenerators anzupassen – dies ist eine Änderung des Hauptmagnetflusses F. Letzteres wird normalerweise durch Anpassen des Erregerstroms iw mithilfe eines in den Erregerkreis eingebauten Rheostaten erreicht des Generators. Für den Fall, dass die Erregerspule von einem Gleichstromgenerator mit Strom versorgt wird, der sich auf derselben Welle wie dieser Synchrongenerator befindet, wird der Erregerstrom des Synchrongenerators durch Änderung der Spannung an den Anschlüssen des Gleichstromgenerators angepasst.

Die Abhängigkeit der elektromotorischen Kraft E des Synchrongenerators vom Erregerstrom iw bei konstanter Rotornenndrehzahl (n = const) und einer Last gleich Null (1 = 0) wird als Leerlaufcharakteristik des Generators bezeichnet.

Abbildung 1 zeigt die Leerlaufkennlinie des Generators. Hier wird der aufsteigende Zweig 1 der Kurve entfernt, wenn der Strom iv von Null auf ivm ansteigt, und der absteigende Zweig 2 der Kurve – wenn iv von ivm auf iv = 0 wechselt.

Reis. 1. Leerlaufcharakteristik eines Synchrongenerators

Die Divergenz zwischen dem aufsteigenden Zweig 1 und dem absteigenden Zweig 2 wird durch den Restmagnetismus erklärt. Je größer die von diesen Zweigen begrenzte Fläche ist, desto größer sind die Energieverluste im Stahl des Ummagnetisierungs-Synchrongenerators.

Die Steilheit des Anstiegs der Leerlaufkurve in ihrem anfänglichen geraden Abschnitt charakterisiert den Magnetkreis des Synchrongenerators. Je geringer der Windungsdurchsatz in den Luftspalten des Generators ist, desto steiler ist unter anderen Bedingungen die Leerlaufkennlinie des Generators.

Äußere Eigenschaften des Generators

Die Klemmenspannung eines belasteten Synchrongenerators hängt von der elektromotorischen Kraft E des Generators, dem Spannungsabfall im aktiven Widerstand seiner Statorwicklung, dem Spannungsabfall aufgrund der dissipativen elektromotorischen Selbstinduktionskraft Es und dem Spannungsabfall aufgrund der ab Ankerreaktion.

Es ist bekannt, dass die dissipative elektromotorische Kraft Es vom dissipativen Magnetfluss Fc abhängt, der die Magnetpole des Generatorrotors nicht durchdringt und daher den Magnetisierungsgrad des Generators nicht verändert. Die dissipative elektromotorische Selbstinduktionskraft Es des Generators ist relativ klein und kann daher praktisch vernachlässigt werden. Dementsprechend kann der Teil der elektromotorischen Kraft des Generators, der die dissipative elektromotorische Selbstinduktionskraft Es kompensiert, als praktisch gleich Null angesehen werden .

Die Reaktion des Ankers hat einen deutlicheren Einfluss auf die Funktionsweise des Synchrongenerators und insbesondere auf die Spannung an seinen Klemmen. Das Ausmaß dieses Einflusses hängt nicht nur von der Größe der Generatorlast ab, sondern auch von der Art der Last.

Betrachten wir zunächst die Auswirkung der Ankerreaktion eines Synchrongenerators für den Fall, dass die Generatorlast rein aktiv ist. Zu diesem Zweck nehmen wir einen Teil der in Abb. gezeigten Schaltung eines funktionierenden Synchrongenerators. 2, a. Hier ist ein Teil des Stators mit einem aktiven Draht an der Ankerwicklung und ein Teil des Rotors mit mehreren seiner Magnetpole dargestellt.

Reis. 2. Einfluss der Ankerreaktion unter Belastung: a – aktive, b – induktive, c – kapazitive Natur

Im fraglichen Moment verläuft der Nordpol eines der mit dem Rotor gegen den Uhrzeigersinn rotierenden Elektromagneten gerade unter dem aktiven Draht der Statorwicklung.

Die in diesem Draht induzierte elektromotorische Kraft ist hinter der Zeichenebene auf uns gerichtet. Und da die Generatorlast rein aktiv ist, ist der Ankerwicklungsstrom Iz in Phase mit der elektromotorischen Kraft. Daher fließt im aktiven Leiter der Statorwicklung der Strom aufgrund der Zeichenebene auf uns zu.

Die von Elektromagneten erzeugten Magnetfeldlinien sind hier in durchgezogenen Linien dargestellt, und die vom Ankerwicklungsdrahtstrom erzeugten Magnetfeldlinien sind hier dargestellt. - eine gepunktete Linie.

Unten in Abb. In Abb. 2, a zeigt ein Vektordiagramm der magnetischen Induktion des resultierenden Magnetfelds, das sich über dem Nordpol des Elektromagneten befindet. Hier sehen wir, dass die magnetische Induktion V des vom Elektromagneten erzeugten Hauptmagnetfelds eine radiale Richtung hat und die magnetische Induktion VI des Magnetfelds des Ankerwicklungsstroms nach rechts und senkrecht zum Vektor V gerichtet ist.

Die resultierende magnetische Induktion des Schnitts ist nach oben und rechts gerichtet. Dies bedeutet, dass durch die Hinzufügung der Magnetfelder eine gewisse Verzerrung des zugrunde liegenden Magnetfelds aufgetreten ist. Links vom Nordpol schwächte es sich etwas ab, rechts nahm es etwas zu.

Es ist leicht zu erkennen, dass sich die radiale Komponente des resultierenden magnetischen Induktionsvektors, von der die Größe der induzierten elektromotorischen Kraft des Generators im Wesentlichen abhängt, nicht geändert hat. Daher hat die Ankerreaktion bei rein aktiver Last des Generators keinen Einfluss auf die Größe der elektromotorischen Kraft des Generators.Dies bedeutet, dass der Spannungsabfall am Generator bei einer rein aktiven Last ausschließlich auf den Spannungsabfall am aktiven Widerstand des Generators zurückzuführen ist, wenn wir die elektromotorische Leckkraft der Selbstinduktion vernachlässigen.

Nehmen wir nun an, dass die Belastung eines Synchrongenerators rein induktiv ist. In diesem Fall hinkt der Strom Az der elektromotorischen Kraft hinterher E um einen Winkel von π / 2... Das bedeutet, dass der maximale Strom im Leiter etwas später auftritt als die maximale elektromotorische Kraft. Wenn daher der Strom im Ankerwicklungsdraht seinen Maximalwert erreicht, befindet sich der Nordpol N nicht mehr unter diesem Draht, sondern bewegt sich etwas weiter in Drehrichtung des Rotors, wie in Abb. 2, geb.

In diesem Fall werden die Magnetlinien (gestrichelte Linien) des Magnetflusses der Ankerwicklung durch zwei benachbarte Gegenpole N und S geschlossen und auf die Magnetlinien des durch die Magnetpole erzeugten Hauptmagnetfelds des Generators gerichtet. Dies führt dazu, dass der Hauptmagnetpfad nicht nur verzerrt, sondern auch etwas schwächer wird.

In Abb. In Abb. 2.6 zeigt ein Vektordiagramm der magnetischen Induktionen: das Hauptmagnetfeld B, das Magnetfeld aufgrund der Ankerreaktion Vi und das resultierende Magnetfeld Vres.

Hier sehen wir, dass die radiale Komponente der magnetischen Induktion des resultierenden Magnetfelds um den Wert ΔV kleiner geworden ist als die magnetische Induktion B des Hauptmagnetfelds. Daher wird auch die induzierte elektromotorische Kraft verringert, da sie auf die radiale Komponente der magnetischen Induktion zurückzuführen ist.Dies bedeutet, dass die Spannung an den Generatorklemmen unter sonst gleichen Bedingungen geringer sein wird als die Spannung bei rein aktiver Generatorlast.

Wenn der Generator eine rein kapazitive Last hat, eilt der Strom darin der Phase der elektromotorischen Kraft um einen Winkel von π / 2 voraus... Der Strom in den Drähten der Ankerwicklung des Generators erreicht nun früher ein Maximum als der elektromotorische Kraft E. Wenn daher der Strom im Draht der Ankerwicklung (Abb. 2, c) seinen Maximalwert erreicht, wird der Nordpol von N diesen Draht immer noch nicht aufnehmen.

In diesem Fall werden die magnetischen Linien (gestrichelte Linien) des magnetischen Flusses der Ankerwicklung durch zwei benachbarte Gegenpole N und S geschlossen und entlang des Pfades mit den magnetischen Linien des Hauptmagnetfelds des Generators gerichtet. Dies führt dazu, dass das Hauptmagnetfeld des Generators nicht nur verzerrt, sondern auch etwas verstärkt wird.

In Abb. In Abb. 2, c zeigt das Vektordiagramm der magnetischen Induktion: das Hauptmagnetfeld V, das Magnetfeld aufgrund der Ankerreaktion Vya und das resultierende Magnetfeld Bres. Wir sehen, dass die radiale Komponente der magnetischen Induktion des resultierenden Magnetfelds um den Betrag ΔB größer geworden ist als die magnetische Induktion B des Hauptmagnetfelds. Daher hat auch die induktive elektromotorische Kraft des Generators zugenommen, was bedeutet, dass die Spannung an den Generatorklemmen unter sonst gleichen Bedingungen größer wird als die Spannung bei einer rein induktiven Generatorlast.

Nachdem wir den Einfluss der Ankerreaktion auf die elektromotorische Kraft eines Synchrongenerators für Lasten unterschiedlicher Art ermittelt haben, klären wir nun die äußeren Eigenschaften des Generators.Das äußere Merkmal eines Synchrongenerators ist die Abhängigkeit der Spannung U an seinen Klemmen von der Last I bei konstanter Rotordrehzahl (n = const), konstantem Erregerstrom (iv = const) und der Konstanz des Leistungsfaktors (cos φ =). const).

In Abb. In Abb. 3 sind die äußeren Eigenschaften eines Synchrongenerators für Lasten unterschiedlicher Art angegeben. Kurve 1 drückt die äußere Kennlinie unter aktiver Belastung aus (cos φ = 1,0). In diesem Fall sinkt die Klemmenspannung des Generators, wenn die Last von Leerlauf auf Nennlast wechselt, und zwar innerhalb von 10 bis 20 % der Leerlaufspannung des Generators.

Kurve 2 drückt die äußere Charakteristik bei einer ohmsch-induktiven Last aus (cos φ = 0, acht). In diesem Fall sinkt die Spannung an den Generatorklemmen aufgrund der entmagnetisierenden Wirkung der Ankerreaktion schneller. Wenn die Generatorlast von Leerlauf auf Nennlast wechselt, sinkt die Spannung auf 20 bis 30 % der Leerlaufspannung.

Kurve 3 drückt die äußere Charakteristik des Synchrongenerators bei aktiv-kapazitiver Last (cos φ = 0,8) aus. In diesem Fall steigt die Generatorklemmenspannung aufgrund der Magnetisierungswirkung der Ankerreaktion etwas an.

Reis. 3. Äußere Eigenschaften des Generators für verschiedene Lasten: 1 – aktiv, 2 – induktiv, 3 kapazitiv

Regelcharakteristik eines Synchrongenerators

Die Regelcharakteristik eines Synchrongenerators drückt die Abhängigkeit des Feldstroms i im Generator von der Last I bei konstantem Effektivwert der Spannung an den Klemmen des Generators (U = const) und konstanter Drehzahl des Rotors aus des Generators pro Minute (n = const) und der Konstanz des Faktors der Leistung (cos φ = const).

In Abb.In Abb. 4 werden drei Steuerkennlinien eines Synchrongenerators angegeben. Kurve 1 bezieht sich auf den aktiven Lastfall (da φ = 1).

Reis. 4. Eigenschaften der Generatorsteuerung für verschiedene Lasten: 1 – aktiv, 2 – induktiv, 3 – kapazitiv

Hier sehen wir, dass mit zunehmender Belastung I des Generators der Erregerstrom zunimmt. Dies ist verständlich, da mit zunehmender Last I der Spannungsabfall im Wirkwiderstand der Ankerwicklung des Generators zunimmt und die elektromotorische Kraft E des Generators durch Erhöhung des Erregerstroms iv erhöht werden muss Halten Sie die Spannung U konstant.

Kurve 2 bezieht sich auf den Fall einer aktiv-induktiven Last bei cos φ = 0,8... Diese Kurve steigt aufgrund der Entmagnetisierung der Ankerreaktion steiler an als Kurve 1, wodurch sich die Größe der elektromotorischen Kraft E und damit die verringert Spannung U an den Klemmen des Generators.

Kurve 3 bezieht sich auf den Fall einer aktiv-kapazitiven Last bei cos φ = 0,8. Diese Kurve zeigt, dass mit zunehmender Belastung des Generators weniger Erregerstrom i im Generator erforderlich ist, um eine konstante Spannung an seinen Anschlüssen aufrechtzuerhalten. Dies ist verständlich, da in diesem Fall die Ankerreaktion den Hauptmagnetfluss erhöht und somit zu einer Erhöhung der elektromotorischen Kraft des Generators und der Spannung an seinen Anschlüssen beiträgt.