Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 16 )

Процесс нарастания тока возбуждения при холостом ходе ма­шины (I=0) описывается дифференциальным уравнением

e= iв ∑ rв +d(Lв iв)/dt, (21.7)

где Lв – индуктивность обмотки возбуждения.

Падение напряжения в цепи якоря от тока iв весьма мало, по­этому в уравнении (21.7) напряжение возбуждения принято рав­ным ЭДС обмотки якоря. Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося зна­чения. Тогда

d(Lв iв)/dt =0 ;

(21.8)

Е= Iв ∑ rв.

На рис. 21.2 показаны зависимости Е=f(Iв) и Iв ∑ rв=f(Iв) при п = const. Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1), а вторая — характеристикой цепи возбуждения (прямые 2—4).

Рис. 21.2. Характеристики холо­стого хода (1) и цепи возбуж­дения (2—4) при постоянной частоте вращения генератора

Если принять, что ∑ rв=const, то характеристика цепи воз­буждения будет представлять собой прямую линию 2, идущую под углом α к оси абсцисс, причем tgα = Е/IВ = ∑ rв. Точка пересечения А характеристик 1 и 2 отвечает равенствам (21.8), а соответству­ющая этой точке ЭДС обмотки якоря устанавливается при данном сопротивлении цепи возбуждения ∑ rв. При изменении сопротив­ления цепи возбуждения будет изменяться ЭДС обмотки якоря. Если увеличивать сопротивление ∑ rв, то угол α наклона характе­ристики цепи возбуждения будет возрастать, а точка А будет пе­ремещаться влево.

При некотором критическом сопротивлении цепи возбуждения ∑ rв. кр прямая 3, определяемая произведением Iв∑ rв. кр, совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода. Критиче­ское сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления ∑ rв само­возбуждение происходить не будет, так как прямая 4, соответ­ствующая Iв ∑ rв=f(Iв) в этом случае не пересекает характеристи­ку холостого хода.

Рис. 21.3. Характеристики холос­того хода (1—3) и цепи возбуж­дения (4) при переменной час­тоте вращения генератора

Если генератор работает с переменной частотой вращения, то каждому значению п будет соответствовать своя характеристика холостого хода 1—3 на рис. 21.3, так как ЭДС Е пропорциональна п. Следовательно, для каждой частоты вращения будет свое значе­ние критического сопротивления ∑ rв. кр, а для каждого сопротив­ления ∑ rв. кр — своя критическая частота вращения nкр, ниже ко­торой невозможно самовозбуждение генератора (кривая 2).

Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо выполнение следующих условий:

в машине должен существовать остаточный магнитный поток;

поток возбуждения должен быть направлен согласно с оста­точным потоком;

сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть мень­ше критического или частота вращения якоря должна быть боль­ше критической.

21.3. Характеристики генераторов

Рабочие свойства электрических машин определяются их ха­рактеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристики холостого хода, нагрузочная, внешняя и регулировочная.

Все указанные характеристики генераторов, определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря и могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем. Так как конструктивно машина постоянного тока является обращен­ной синхронной машиной, характеристика холостого хода гене­ратора постоянного тока (Е=f(Iв)) идентична характеристике хо­лостого хода синхронного генератора (см. подразд. 14.1) и здесь рассматриваться не будет.

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость на­пряжения генератора постоянного тока от тока возбуждения U=f(Iв) при неизменном токе якоря Iа = const. Практическое значе­ние этой характеристики заключается в возможности определения по ней размагничивающего действия реакции якоря и зависимости реакции якоря от насыщения магнитной цепи и тока якоря.

Как и для синхронных генераторов, нагрузочную характерис­тику генератора постоянного тока удобнее строить совместно с характеристикой холостого хода, поскольку последнюю можно рас­сматривать как частный случай первой (при 1а = 0).

Рис. 21.4. Характеристика хо­лостого хода (1) и нагрузоч­ная характеристика (2) гене­ратора с независимым воз­буждением

Нагрузочная характеристика 2 (рис. 21.4) генератора с независимым возбуждением расположена ниже ха­рактеристики холостого хода 1 вслед­ствие падения напряжения в цепи якоря, согласно уравнению (21.3), и размагничивающего действия попе­речной реакции якоря, приводящего к уменьшению потока возбуждения и ЭДС обмотки якоря.

Нагрузочная характеристика гене­ратора с параллельным возбуждени­ем из-за малости тока возбуждения по сравнению с током якоря (Iа ≈ I) практически не отличается от харак­теристики генератора с независимым возбуждением.

Нагрузочная характеристика гене­ратора со смешанным согласным воз­буждением может располагаться как выше характеристики холос­того хода (при сильной последовательной обмотке возбуждения, МДС которой компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря), так и ниже нее (при слабой последовательной обмотке возбуждения).

Внешняя характеристика представляет собой зависимость на­пряжения генератора постоянного тока от тока нагрузки U=f(I) при постоянном токе возбуждения Iв = const (для генератора с независимым возбуждением) или постоянном сопротивлении цепи об­мотки возбуждения ∑ rв=const (для генераторов с самовозбуждением).

Как и в синхронных машинах, внешнюю характеристику машины постоянного тока можно снимать и при увеличении нагрузки, и при ее уменьшении. Рассмотрим внешнюю характеристику при уменьшении на­грузки. Исходной в этом случае явля­ется точка характеристики, в кото­рой номинальному току нагрузки Iном соответствует номинальное напряже­ние Uном (рис. 21.5). Ток возбуждения, соответствующий работе генератора в этой точке внешней характеристи­ки, называется номинальным током возбуждения Iв. ном.

Рис. 21.5. Внешние характери­стики генераторов постоянно­го тока с независимым (1), параллельным (2), смешан­ным согласным (3) и сме­шанным встречным (4) воз­буждением

В процессе снятия внешней характеристики генератора с неза­висимым возбуждением (кривая 1) ток Iв. ном поддерживается по­стоянным. Начиная от исходной точки, ток нагрузки I постепен­но уменьшают до нуля. Напряжение генератора при этом в соот­ветствии с уравнением (21.3) увеличивается, так как уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе в этом случае U= U0.

По внешней характеристике определяют изменение напряже­ния

Δ U =( U0 - Uном)/ Uном. (21.9)

Обычно изменение напряжения выражают в процентах. В гене­раторах с независимым возбуждением Δ U =10...15%,а ток корот­кого замыкания Iк составляет (5Iнон, увеличиваясь с ростом мощности.

Внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуж­дением (кривая 2) снимают при условии, что ∑ rв=const. С умень­шением тока нагрузки I напряжение U возрастает более сильно, чем в генераторах с независимым возбуждением, так как с рос­том напряжения увеличиваются ток возбуждения Iв и ЭДС об­мотки якоря, чего не происходит в случае независимого возбуж­дения.

Интересно рассмотреть и часть внешней характеристики гене­ратора с параллельным возбуждением при токах нагрузки больше номинального. С уменьшением сопротивления нагрузки ток I сна­чала увеличивается до определенного значения (1,5...2,5) Iном, называемого критическим (рис. 21.6), а затем начинает умень­шаться. Такой вид внешней характеристики объясняется тем, что
при уменьшении напряжения уменьшается и ток возбуждения. Причем сначала этот процесс протекает медленно, так как сталь машины насыщена и уменьшение тока возбуждения не вызывает
сильного снижения магнитного по­ тока и ЭДС машины. Затем, когда ток возбуждения начинает соответство­вать линейной (ненасыщенной) ча­сти характеристики холостого хода,
размагничивание происходит более интенсивно. При коротком замыка­нии (U = 0) машина будет практи­чески размагничена и установив­шийся ток короткого замыкания Iк будет определяться только остаточ­ной ЭДС. Как следует из уравнения (21.3)