Modalità di funzionamento dei generatori sincroni, caratteristiche operative dei generatori

Le principali grandezze che caratterizzano il generatore sincrono sono: tensione ai morsetti U, carica I, potenza apparente P (kVa), giri rotore al minuto n, fattore di potenza cos φ.

Le caratteristiche più importanti del generatore sincrono sono le seguenti:

• caratteristica di inattività,

• caratteristica esterna,

• caratteristica di regolazione.

Caratteristica a vuoto di un generatore sincrono

La forza elettromotrice del generatore è proporzionale all'entità del flusso magnetico Ф creato dalla corrente di eccitazione iv e al numero di giri n rotore del generatore al minuto:

E = cNF,

dove s — fattore di proporzionalità.

Sebbene l'entità della forza elettromotrice di un generatore sincrono dipenda dal numero di giri del rotore, è impossibile regolarla modificando la velocità di rotazione del rotore, poiché la frequenza della forza elettromotrice è correlata al numero di giri del rotore del generatore, che deve essere mantenuto costante.

Pertanto, rimane l'unico modo per regolare l'entità della forza elettromotrice di un generatore sincrono: si tratta di un cambiamento nel flusso magnetico principale F. Quest'ultimo viene solitamente ottenuto regolando la corrente di eccitazione iw utilizzando un reostato introdotto nel circuito di eccitazione del generatore. Nel caso in cui la bobina di eccitazione sia alimentata con corrente da un generatore di corrente continua situato sullo stesso albero con questo generatore sincrono, la corrente di eccitazione del generatore sincrono viene regolata modificando la tensione ai terminali del generatore di corrente continua.

La dipendenza della forza elettromotrice E del generatore sincrono dalla corrente di eccitazione iw a una velocità nominale costante del rotore (n = const) e un carico uguale a zero (1 = 0) è chiamata caratteristica di minimo del generatore.

La Figura 1 mostra la caratteristica a vuoto del generatore. Qui, il ramo ascendente 1 della curva viene rimosso quando l'iv corrente aumenta da zero a ivm, e il ramo discendente 2 della curva - quando iv cambia da ivm a iv = 0.

Riso. 1. Caratteristica inattiva di un generatore sincrono

La divergenza tra i rami ascendente 1 e discendente 2 è spiegata dal magnetismo residuo. Maggiore è l'area delimitata da questi rami, maggiori sono le perdite di energia nell'acciaio del generatore sincrono di inversione di magnetizzazione.

La pendenza della salita della curva a vuoto nel suo tratto rettilineo iniziale caratterizza il circuito magnetico del generatore sincrono. Minore è la portata amp-giro nei traferri del generatore, più ripida sarà la caratteristica di minimo del generatore, in altre condizioni.

Caratteristiche esterne del generatore

La tensione ai morsetti di un generatore sincrono caricato dipende dalla forza elettromotrice E del generatore, dalla caduta di tensione nella resistenza attiva del suo avvolgimento statorico, dalla caduta di tensione dovuta alla forza elettromotrice di autoinduzione di dissipazione Es e dalla caduta di tensione dovuta alla reazione di armatura.

È noto che la forza elettromotrice dissipativa Es dipende dal flusso magnetico dissipativo Fc, che non penetra nei poli magnetici del rotore del generatore e quindi non varia il grado di magnetizzazione del generatore. La forza elettromotrice dissipativa di autoinduzione Es del generatore è relativamente piccola e quindi praticamente trascurabile, pertanto quella parte della forza elettromotrice dissipativa del generatore che compensa la forza elettromotrice dissipativa di autoinduzione Es può essere considerata praticamente nulla .

La risposta di armatura ha un effetto più evidente sul modo di funzionamento del generatore sincrono e, in particolare, sulla tensione ai suoi capi. Il grado di questa influenza dipende non solo dall'entità del carico del generatore, ma anche dalla natura del carico.

Consideriamo dapprima l'effetto della reazione di armatura di un generatore sincrono nel caso in cui il carico del generatore sia puramente attivo. Con questo scopo prendiamo parte del circuito di un generatore sincrono funzionante mostrato in fig. 2, un. Qui è mostrata una parte dello statore con un filo attivo sull'avvolgimento dell'indotto e una parte del rotore con molti dei suoi poli magnetici.

Riso. 2. Influenza della reazione dell'armatura sotto carichi: a — attivo, b — induttivo, c — natura capacitiva

Al momento in questione, il polo nord di uno degli elettromagneti che ruotano in senso antiorario con il rotore passa appena sotto il filo attivo dell'avvolgimento dello statore.

La forza elettromotrice indotta in questo filo è diretta verso di noi dietro il piano del disegno. E poiché il carico del generatore è puramente attivo, la corrente di avvolgimento dell'indotto Iz è in fase con la forza elettromotrice. Pertanto, nel conduttore attivo dell'avvolgimento dello statore, la corrente scorre verso di noi a causa del piano del disegno.

Le linee del campo magnetico create dagli elettromagneti sono mostrate qui in linee continue e le linee del campo magnetico create dalla corrente del filo di avvolgimento dell'indotto sono mostrate qui. - una linea tratteggiata.

Sotto nella fig. 2, a mostra un diagramma vettoriale dell'induzione magnetica del campo magnetico risultante situato sopra il polo nord dell'elettromagnete. Qui vediamo che l'induzione magnetica V il campo magnetico principale creato dall'elettromagnete ha una direzione radiale e l'induzione magnetica VI del campo magnetico della corrente di avvolgimento dell'armatura è diretta a destra e perpendicolare al vettore V.

L'induzione magnetica risultante Il taglio è diretto verso l'alto e verso destra. Ciò significa che si è verificata una certa distorsione del campo magnetico sottostante come risultato dell'aggiunta dei campi magnetici. A sinistra del Polo Nord si è leggermente indebolito ea destra è leggermente aumentato.

È facile vedere che la componente radiale del vettore di induzione magnetica risultante, da cui dipende essenzialmente l'entità della forza elettromotrice indotta del generatore, non è cambiata. Pertanto, la reazione dell'armatura sotto un carico puramente attivo del generatore non influisce sull'entità della forza elettromotrice del generatore.Ciò significa che la caduta di tensione ai capi del generatore con un carico puramente attivo è dovuta esclusivamente alla caduta di tensione ai capi della resistenza attiva del generatore se si trascura la forza elettromotrice di autoinduzione di dispersione.

Supponiamo ora che il carico su un generatore sincrono sia puramente induttivo. In questo caso, la corrente Az è in ritardo rispetto alla forza elettromotrice E di un angolo di π / 2... Ciò significa che la corrente massima appare nel conduttore poco dopo la forza elettromotrice massima. Pertanto, quando la corrente nel filo di avvolgimento dell'indotto raggiunge il suo valore massimo, il polo nord N non sarà più sotto questo filo, ma si sposterà un po' più avanti nel senso di rotazione del rotore, come mostrato in Fig. 2, b.

In questo caso, le linee magnetiche (linee tratteggiate) del flusso magnetico dell'avvolgimento dell'indotto sono chiuse attraverso due poli opposti adiacenti N e S e sono dirette alle linee magnetiche del campo magnetico principale del generatore creato dai poli magnetici. Ciò porta al fatto che il percorso magnetico principale non solo è distorto, ma diventa anche leggermente più debole.

Nella fig. 2.6 mostra un diagramma vettoriale delle induzioni magnetiche: il campo magnetico principale B, il campo magnetico dovuto alla reazione di armatura Vi e il campo magnetico risultante Vres.

Qui vediamo che la componente radiale dell'induzione magnetica del campo magnetico risultante è diventata più piccola dell'induzione magnetica B del campo magnetico principale del valore ΔV. Pertanto, anche la forza elettromotrice indotta è ridotta perché dovuta alla componente radiale dell'induzione magnetica.Ciò significa che la tensione ai terminali del generatore, a parità di altre condizioni, sarà inferiore alla tensione a un carico del generatore puramente attivo.

Se il generatore ha un carico puramente capacitivo, la corrente al suo interno anticipa la fase della forza elettromotrice di un angolo di π / 2... La corrente nei fili dell'avvolgimento dell'indotto del generatore ora raggiunge un massimo prima dell'elettromotrice forza E. Pertanto, quando la corrente nel filo dell'avvolgimento dell'ancora (Fig. 2, c) raggiunge il suo valore massimo, il polo nord di N non accoglierà ancora questo filo.

In questo caso, le linee magnetiche (linee tratteggiate) del flusso magnetico dell'avvolgimento dell'indotto sono chiuse attraverso due poli opposti adiacenti N e S e sono dirette lungo il percorso con le linee magnetiche del campo magnetico principale del generatore. Ciò porta al fatto che il campo magnetico principale del generatore non è solo distorto, ma anche in qualche modo amplificato.

Nella fig. 2, c mostra il diagramma vettoriale dell'induzione magnetica: il campo magnetico principale V, il campo magnetico dovuto alla reazione di armatura Vya, e il risultante campo magnetico Bres. Vediamo che la componente radiale dell'induzione magnetica del campo magnetico risultante è diventata maggiore dell'induzione magnetica B del campo magnetico principale della quantità ΔB. Pertanto, anche la forza elettromotrice induttiva del generatore è aumentata, il che significa che la tensione ai terminali del generatore, a parità di tutte le altre condizioni, diventerà maggiore della tensione a un carico del generatore puramente induttivo.

Stabilita l'influenza della reazione di armatura sulla forza elettromotrice di un generatore sincrono per carichi di diversa natura, si procede a chiarire le caratteristiche esterne del generatore.La caratteristica esterna di un generatore sincrono è la dipendenza della tensione U ai suoi capi dal carico I a velocità costante del rotore (n = const), corrente di eccitazione costante (iv = const) e costanza del fattore di potenza (cos φ = cost).

Nella fig. 3 sono riportate le caratteristiche esterne di un generatore sincrono per carichi di diversa natura. La curva 1 esprime la caratteristica esterna sotto carico attivo (cos φ = 1.0). In questo caso, la tensione del terminale del generatore diminuisce quando il carico passa da inattivo a nominale entro il 10-20% della tensione del generatore a vuoto.

La curva 2 esprime la caratteristica esterna con un carico resistivo-induttivo (cos φ = 0, otto). In questo caso, la tensione ai terminali del generatore scende più velocemente a causa dell'effetto smagnetizzante della reazione di armatura. Quando il carico del generatore passa da vuoto a nominale, la tensione scende entro il 20-30% della tensione a vuoto.

La curva 3 esprime la caratteristica esterna del generatore sincrono a carico attivo-capacitivo (cos φ = 0,8). In questo caso, la tensione ai terminali del generatore aumenta leggermente a causa dell'azione magnetizzante della reazione di armatura.

Riso. 3. Caratteristiche esterne dell'alternatore per carichi diversi: 1 - attivo, 2 - induttivo, 3 capacitivo

Caratteristica di controllo di un generatore sincrono

La caratteristica di controllo di un generatore sincrono esprime la dipendenza della corrente di campo i nel generatore dal carico I con un valore efficace costante della tensione ai terminali del generatore (U = const), un numero costante di giri del rotore del generatore al minuto (n = const) e la costanza del fattore di potenza (cos φ = const).

Nella fig.4 sono fornite tre caratteristiche di controllo di un generatore sincrono. La curva 1 si riferisce al caso di carico attivo (poiché φ = 1).

Riso. 4. Caratteristiche di controllo dell'alternatore per carichi diversi: 1 — attivo, 2 — induttivo, 3 — capacitivo

Qui vediamo che all'aumentare del carico I sul generatore, aumenta la corrente di eccitazione. Ciò è comprensibile, poiché con un aumento del carico I, aumenta la caduta di tensione nella resistenza attiva dell'avvolgimento dell'indotto del generatore ed è necessario aumentare la forza elettromotrice E del generatore aumentando la corrente di eccitazione iv. mantenere la tensione costante U .

La curva 2 si riferisce al caso di carico attivo-induttivo a cos φ = 0,8... Questa curva sale più ripidamente della curva 1, a causa della smagnetizzazione della reazione di armatura, che riduce l'entità della forza elettromotrice E e quindi la tensione U ai capi del generatore.

La curva 3 si riferisce al caso di carico attivo-capacitivo a cos φ = 0.8. Questa curva mostra che all'aumentare del carico sul generatore, è richiesta una minore corrente di eccitazione i nel generatore per mantenere una tensione costante ai suoi terminali. Ciò è comprensibile, poiché in questo caso la reazione di armatura aumenta il flusso magnetico principale e quindi contribuisce ad aumentare la forza elettromotrice del generatore e la tensione ai suoi terminali.