Національний авіаційний університет

Національний авіаційний університет

Кафедра електротехніки і світлотехніки

Лабораторія електричних машин

ЗВІТ

з лабораторної роботи № 8

ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНОГО АВІАЦІЙНОГО

СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Роботу виконав _______________________________________

(прізвище та ініціали студента)

студент_______________________________________________

(№ курсу, № групи)

______________________________________________________

(назва факультету)

____________________ ___________________

(дата виконання роботи) (підпис викладача)

Роботу прийняв ______________________________________

(прізвище та ініціали викладача)

________________ _____________

(дата прийому роботи) (підпис викладача)

Мета роботи

Експериментально визначити параметри й характеристики однофазного синхронного генератора.

Теоретичні положення

Синхронною називається машина змінного струму, кутова частота обертання ротора якої не залежить від навантаження і точно дорівнює синхронній.

У більшості випадків синхронну машину використовують як генератор змінного струму, хоча можливі режими роботи її двигуном і компенсатором.

Типовою для синхронної машини є конструкція з обмоткою збудження, яка знаходиться на роторі. При цьому ротор (індуктор) може мати явно виражені полюси (по типу полюсів машини постійного струму) або неявно виражені.

У машинах із неявно вираженими полюсами обмотка збудження розміщується в пазах. Найбільш розповсюдженою є явно полюсна конструкція.

Рис. 8.1. Розподіл НС ХХ під одним полюсом явно полюсної синхронної машини

Під дією постійного струму, що протікає через обмотку збудження, створюється несинусоїдально розподілена у просторі намагнічуюча сила (НС) холостого ходу F ₀ , характер розподілу якої під одним полюсом явно полюсної синхронної машини показаний на рис. 8.1.

Несинусоїдально розподілена вздовж полюсного ділення НС холостого ходу створює в повітряному проміжку машини несинусоїдний магнітний потік. Тому в обмотці якоря буде наводитись у загальному випадку несинусоїдна ЕРС. При дослідженні робочого процесу синхронних машин враховуються тільки перші гармоніки НС і ЕРС.

Перша гармоніка холостого ходу F ₀₁ знаходиться розкладанням в ряд Фур’є несинусоїдальної кривої НС холостого ходу F ₀ (рис. 8.1).

Для явно полюсної синхронної машини перша гармоніка НС обмотки збудження дорівнює

,

де – коефіцієнт форми поля обмотки збудження явно полюсної синхронної машини, залежний від геометрії полюсів; І _з0– струм збудження при холостому ході; w _з– число витків обмотки збудження, яке припадає на один полюс.

Коефіцієнт полюсного перекриття a залежить від геометрії активної зони і для синхронних машин знаходиться у межах 0,65…0,7.

Перша гармоніка НС холостого ходу створює в повітряному проміжку синхронної машини першу просторову гармоніку (основну хвилю) магнітного потоку, що індукує в обмотці якоря ЕРС Е ₀ , перша гармоніка якої змінюється у часі з циклічною частотою

.

Якщо замкнути коло якоря на деякий опір, то під дією ЕРС у фазах обмотки якоря будуть протікати струми, які створюють свою НС якоря.

Взаємодію перших гармонік НС обмотки збудження й обмотки якоря називають реакцією якоря синхронної машини.

Основна хвиля НС якоря трифазної синхронної машини при симетричному навантаженні обертається із синхронною частотою і тому відносно полюсів є нерухомою.

Оскільки основні хвилі НС обмотки збудження і НС якоря синусоїдально розподілені у просторі вздовж повітряного проміжку, то їх можна представити у вигляді векторів, які обертаються із синхронною частотою. Вектор результуючої НС синхронної машини дорівнює геометричній сумі векторів НС обмотки збудження іНСякоря.

У загальному випадку амплітуда першої гармоніки НС якоря m- фазної обмотки, яка припадає на один полюс симетрично навантаженої синхронної машини, дорівнює

, (8.1)

де K _об1 – обмоточний коефіцієнт по першій гармоніці; p – число пар полюсів машини; I – діюче значення струму фази; w – число витків у фазі обмотки якоря.

Взаємне розташування векторів НС обмотки збудження і НС якоря залежить від характеру навантаження синхронної машини.

Так, при чисто активному характері навантаження й нехтуванні внутрішнім опором обмотки якоря, вектор НС якоря направлений перпендикулярно осі полюсів (поперечна реакція якоря), при індуктивному навантаженні цей вектор направлений проти вектора НС обмотки збудження (поздовжня розмагнічуюча реакція якоря) і при ємнісному навантаженні обидва вектори співпадають за напрямком (поздовжня підмагнічуюча реакція якоря).

У загальному випадку синхронний генератор може бути навантажений змішаним навантаженням і НС якоря діє одночасно як по поздовжній осі так і по поперечній.

У явно полюсній синхронній машині магнітний опір повітряного проміжку залежить від орієнтації вектора результуючої НС відносно полюсів, тому, навіть при синусоїдальному розподілі результуючої НС, крива результуючого магнітного потоку буде несинусоїдальною.

Відмічені обставини призводять до необхідності розкладання НС реакції якоря на поздовжню і поперечну складові, одна з яких діє тільки по поздовжній осі полюсів, а інша тільки по поперечній. Відповідно поздовжня НС якоря створюється поздовжнім струмом , а поперечна НС – поперечним струмом . При цьому поздовжній струм і поперечний зв’язані з реальним струмом якоря I відношеннями:

; , (8.2)

де y – кут між векторами ЕРС холостого ходу і струму якоря .

Амплітуди складових НС реакції якоря явно полюсної синхронної машини можуть бути знайдені за формулою (8.1) підстановкою у неї значень відповідних складових струму якоря з формули (8.2).

Через те, що магнітні опори явно полюсної синхронної машини по повздовжній осі і поперечній неоднакові при одних і тих самих значеннях поздовжньої і поперечної НС якоря, їхній вплив на основний магнітний потік буде різним.

Кількісно цей вплив враховують уведенням коефіцієнтів зведення реакції якоря по повздовжній K_аd і поперечній K_аq осям.

Коефіцієнти зведення реакції якоря як і коефіцієнт K_f залежать від геометрії активної зони машини і визначаються формулами:

; .

Рис. 8.2. Результуюча НС явно полюсної синхронної машини

Уведення коефіцієнтів зведення реакції якоря, по відповідним осям дозволяє вважати повітряний проміжок машини рівномірним, що дає можливість розглядати явно полюсну машину, як неявно полюсну.

Коефіцієнти зведення реакції якоря виражають НС реакції якоря у масштабі НС обмотки збудження, тобто показують, яку НС повинна мати обмотка збудження для того, щоб створити такий самий магнітний потік, який створює дана складова НС якоря.

Неявно полюсна синхронна машина має тільки один коефіцієнт зведення реакції якоря K_а.

Таким чином, результуюча НС явно полюсної синхронної машини (рис. 8.2) дорівнює:

. (8.3)

Внаслідок того, що K_аd ¹ K_аq, часовий вектор НС реакції якоря явно полюсної синхронної машини не співпадає за напрям­ком із вектором струму якоря I.

Вектори НС реакції якоря, обертаючись із синхрон­ною частотою, створюють магнітні потоки реакції якоря, які індукують в обмотці якоря поздовжню E_аd і поперечну E_аq ЕРС реакції якоря.

Ці ЕРС формально заміняють падіннями напруги на відповідних опорах реакції якоря X_аd і X_aq :

.

Опори реакції якоря залежать від повітряного проміжку між індуктором і якорем і ступенем насичення магнітопроводу. Чим більший повітряний проміжок і насичення сталі, тим менший потік створює при тому ж струмі НС якоря, тим меншими будуть опори реакції якоря.

В явно полюсній синхронній машині завжди опір X_аd > X_aq , оскільки повітряний проміжок по поперечній осі значно більший, ніж по поздовжній.

Для послаблення реакції якоря в синхронних машинах, на відміну від асинхронних, збільшують робочий повітряний проміжок.

Частина магнітного потоку, створеного НС якоря, щеплюється тільки з обмоткою якоря і створює потік розсіяння, що індукує в обмотці якоря ЕРС розсіяння , яку заміняють рівним за модулем падінням напруги від повного струму якоря на індуктивному опорі розсіяння X _d:

.

У комплексній формі запису рівняння електричної рівноваги для явно полюсного синхронного генератора має вигляд:

. (8.4)

Загалом падінням напруги на активному опорі якоря можна знехтувати.

Аналіз роботи і побудову характеристик синхронної машини зручно проводити, використовуючи спільну векторну діаграму ЕРС і МРС (діаграму ЕМРС), яка будується за рівняннями (8.3, 8.4) і для явно полюсної машини при активно-індуктивному характері навантаження й нехтуванні активним опором статора має вигляд, показаний на рис. 8.3.

З рис. 8.3 видно, що

qd = qe + ed = I_d X_ad + +I siny X _d = I_а (X_аd+X _d) = I_dX_d ;

dв = dс + св = I_q X_aq+ +I cosy X _d = I_q (X_аq+X _d ) = I_qX_q ,

Рис. 8.3. Діаграма ЕМРС явно полюсної синхронної машини при активно-індуктивному навантаженні

де X_d = X_d +X_аd і X_q = X_d + X_aq – синхронні опори явно полюсної машини відповідно по поздовжній і поперечній осях, суть яких полягає у наступному.

У незбудженій машині ротор обертається з тими ж частотою і напрямком, що і магнітний потік, який створений трифазною об­моткою якоря, підключеною до стороннього трифазного джерела. У даному випадку магнітне поле у повітряному проміжку машини, можна розглядати як поле реакції якоря.

Якщо поздовжня вісь індуктора співпадає за напрямком цього поля, то машина чинить сторонньому джерелу опір, який чисельно дорівнює значенню X_d. При взаємно перпендикулярному розташуванні осей індуктора й поля машина чинить джерелу опір X.

Далі з діаграми (рис. 8.3) слідує, що

hв = hf + fa + aв =

.

Приблизно можна вважати, що оh» oq = E ₀(рис. 8.3). Тоді рівняння електричної рівноваги явно полюсної синхронної машини приймає більш простий вигляд:

Рис. 8.4. Спрощена діаграма ЕМРС явно полюсної машини при активно-індуктивному навантаженні

. (8.5)

Рівнянню (8.5) відповідає спрощена векторна діаграма (рис. 8.4), при побудові якої розкладати струм I на складові I_d і I_q немає потреби, оскільки вектор завжди перпендикулярний вектору струму.

З насиченням магнітного кола значення опору X_d зменшується і похибка у визначенні вектора за спрощеною діаграмою зростає.

Неявно полюсна синхронна машина має діаграму, подібну діаграмі, яка зображена на рис. 8.4, але замість опору X_d присутній синхронний опір неявно полюсноїмашини X.

В однофазній синхронній машині на відміну від трифазної створюється не обертове, а пульсуюче магнітне поле реакції якоря, яке, як відомо, може бути розкладене на два поля, що обертаються із синхронною частотою у протилежних напрямках.

При цьому поле, що обертається у напрямку обертання індуктора (пряме поле), взаємодіє з індуктором аналогічно розглянутому. Зворотне поле майже повністю гаситься полем вихрових струмів в елементах індуктора.

Робочі властивості синхронного генератора оцінюють за його характеристиками, знятими при визначених умовах.

Основними характеристиками синхронного генератора є характеристики: холостого ходу, навантаження, зовнішня, регулювальна і короткого замикання. Усі характеристики знімаються при постійній частоті обертання.

Характеристикою холостого ходу синхронного генератора називається залежність ЕРС обмотки якоря від струму збудження при відсутності навантаження: E ₀ = f (I _з) при I = 0, f = const. Вона не відрізняється від такої ж для генератора постійного струму.

Характеристика навантаження виражає залежність напруги генератора від струму збудження при постійних значеннях струму якоря й коефіцієнта потужності: U = f (I _з),при I = const,
cosj = const. Окремим випадком характеристики навантаження є характеристика холостого ходу.

Важливе значення на практиці має характеристика навантаження при чисто індуктивному навантаженні (cosj = 0; j = p/2 > 0), яка разом із характеристикою холостого ходу зображена на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Характеристика ХХ та навантаження синхронного генератора

Активним опором якоря можна знехтувати тому при індуктивному навантаженні рівняння рівноваги напруги описується формулою (8.5), причому вектори і співпадають за фазою.

З формули (8.5) випливає, що значення напруги генератора буде дорівнювати нулю доти, доки в машині не виникне ЕРС холостого ходу, більша за падіння напруги на синхронному поздовжньому опорі від повного струму якоря.

Для утворення такої ЕРС потрібна деяка НС обмотки збудження. Через це початок характеристики навантаження зміщується вправо по осі абсцис на величину ОА (рис. 8.5). При цьому відрізок ОА являє собою НС обмотки збудження виражену в масштабі струму збудження.

На ділянці ОА НС збудження F ₀ у значній мірі компенсується поздовжньою розмагнічуючою НС якоря K_аd F_аd, яка створює ЕРС поздовжньої реакції якоря: .

Результуюча НС виявляється такою, що дорівнює НС розсіювання , яка створює ЕРС розсіювання . Тому, відклавши на характеристиці холостого ходу відрізок СВ = E _d знайдемо відрізок ОВ, який виражає НС розсіювання в масштабі струму збудження.

Відрізок ВА представляє собою НС реакції якоря K_аd F_аd, виражену в масштабі струму збудження. Трикутник ОСА називають реактивним трикутником.

Надаючи НС збудження значення більші за значення, яке визначається відрізком ОА, отримують значення напруги на клемах машини, які більші за нуль, тобто ряд точок характеристики навантаження.

Характеристику навантаження можна побудувати зміщенням реактивного трикутника по характеристиці холостого ходу, таким чином, щоб його сторона ОС залишалася паралельною лінійній ділянці характеристики холостого ходу.

Сторони реактивного трикутника при заданому значенні струму не змінюють своїх розмірів і, як видно з рис. 8.5, характеристика навантаження проходить нееквідістантно характеристиці холостого ходу, що пов’язано з насиченням сталі машини. При цьому різниця ординат характеристик холостого ходу й навантаження при одному і тому ж збудженні дорівнює падінню напруги на поздовжньому синхронному опорі (відрізок A ₁ D).

За дослідною індуктивною характеристикою навантаження можна визначити значення індуктивного опору розсіювання X _s і насиченого синхронного опору X_d.

Для цього беруть довільне значення напруги U на характеристиці навантаження і позначають, наприклад, точкою А ₁ (див. рис. 8.5), потім із точки А ₁ проводять пряму, паралельну осі абсцис, і відкладають на ній вліво від точки А ₁ відрізок A ₁ O ₁ , який дорівнює відрізку ОА. Через отриману таким чином точку О ₁ проводять пряму, паралельну початковій ділянці характеристики холостого ходу, і отримують точку реактивного трикутника С ₁.

Знаючи масштаб напруги m_u = u /A ₁ C ₁ знаходять падіння напруги на опорі розсіювання IX _s = m_u C ₁ B ₁, на поздовжньому синхронному опорі IX_d = m_u А ₁ D, а потім визначають ці опори X_d і X _s .

При зміні навантаження генератора напруга на його клемах змінюється внаслідок падіння напруги на внутрішніх опорах обмотки якоря генератора й дії НС реакції якоря. Залежність напруги синхронного генератора від струму навантаження при постійних значеннях струму збудження, коефіцієнта потужності й частоти обертання називається зовнішньою характеристикою:

U = f (I) при I _з = const; cosj = const; f = const.

Зовнішня характеристика синхронного генератора при різних характерах навантаження зображена на рис. 8.6, з якого видно, що найбільш сильно напруга генератора зменшується при індуктивному навантаженні, що пов’язано з розмагнічуючою дією реакції якоря. При ємнісному характері навантаження напруга спочатку збіль-шується через те, що в машині діє підмагнічуюча реакція якоря, а потім зменшується, оскільки збільшується вплив індуктивного характеру внутрішніх опорів машини.

Рис. 8.6. Зовнішні характеристики синхронного генератора

При короткому замиканні напруга генератора дорівнює нулю і вся ЕРС холостого ходу E ₀урівноважується падінням напруги на поздовжньому синхронному опорі X_d , тому струм короткого замикання визначається ЕРС холостого ходу й опором X_d і є майже повністю індуктивним.

Напругу генератора необхідно підтримувати сталою незалежно від характеру й значення струму навантаження.

Залежність струму збудження синхронного генератора від струму навантаження при сталих значеннях напруги, коефіцієнта потужності й частоти обертання називається регулювальною характеристикою:

I _з = f (I) при u = const; cosj = const; f = const.

Рис. 8.7. Регулювальні характеристики синхрон­ного генератора

Регулювальні характеристики синхронного генератора при різному характері навантаження зображені на рис.8.7.

При індуктивному характері навантаження машина сильно розмагнічується поздовжньою НС якоря, тому для підтримання сталої напруги струм збудження необхідно збільшувати.

При ємнісному характері навантаження, навпаки, для підтримання сталої напруги струм збудження потрібно зменшувати, оскільки в машині діє поздовжня підмагнічуюча НС якоря.

Характеристикою короткого замиканняназивається залежність струму короткого замикання від струму збудження при постійній частоті обертання:

I _к = f (I _з)при u = 0; f = const.

При короткому замиканні вся ЕРС холостого ходу урівноважується падінням напруги по внутрішніх індуктивних опорах машини. Струм короткого замикання є відстаючим і створює НС якоря розмагнічуючого характеру.

При досліді короткого замикання необхідно обмежити значення струму якоря, тому струм збудження повинен бути малий, через що магнітне поле машини ненасичене і синхронний опір по поздовжній осі сталий. Згідно з цим характеристика короткого замикання має вигляд прямої лінії і тільки при великих значеннях струму збудження відхиляється від прямої через насичення сталі.

За характеристиками короткого замикання і холостого ходу визначають ненасичене значення опору X_d . Для цього при довільному струмі короткого замикання I _к знаходять ЕРС холостого ходу по спрямленому відрізку АD характеристики холостого ходу (рис. 8.8). Потім розділивши значення ЕРС на вибране значення струму I _квизначають ненасичене значення опору X_d .

Рис. 8.8. Характеристика короткого замикання

Якщо опір розсіяння X _d відомий, то за характеристиками холостого ходу і короткого замикання можна побудувати реактивний трикутник, який відповідає заданому значенню струму I _к.

Узагалі початок характеристики короткого замикання не співпадає з початком координат, оскільки в машині є потік залишкового магнетизму.

Порядок виконання роботи

1. Записати у звіт номінальні дані досліджуваного генератора і зібрати установку за схемою, яка зображена на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Принципова електрична схема установки для дослідження синхронного генератора

2. Зняти характеристику холостого ходу, для чого відключити навантаження генератора Z _н , повністю вивести реостат регулювання частоти обертання R1 приводу М і включити його під напругу вимикачем Q.

Регулюючи реостатом R2 струм збудження генератора і підтримуючи реостатом R1 частоту ЕРС генератора f = 400 Гц зафіксувати по шість – вісім показів вольтметра PV і амперметра PА1 у колі збудження генератора G.

Результати вимірювань записати у табл. 8.1.

Таблиця 8.1

Параметри	Зростаюча гілка	Спадна гілка
I з, А
E 0,В

За характеристику холостого ходу прийняти середню криву, розміщену між зростаючою й спадною гілками дослідної характеристики.

Електрорушійну силу залишкового магнетизму визначити при розімкнутій обмотці генератора. Максимальне значення ЕРС холостого ходу повинно бути не більше 1,3…1,5 U _н .

3. Зняти характеристику короткого замикання, для чого ввести у коло обмотки збудження генератора максимально
можливе значення опору реостата R2, після чого замкнути закоротко коло якоря.

Повільно збільшуючи струм збудження генератора, зняти по п’ять – шість показів амперметрів А1 і А2, слідкуючи при цьому щоб струм короткого замикання не перевищував значення 1,2 I _н.

Результати вимірювань записати у табл. 8.2.

Таблиця 8.2

Параметри	Вимірювання
I з, А
I кз,А

За даними табл.8.1 і 8.2 визначити ненасичене значення синхронного опору генератора X_d.

4. Зняти індуктивну характеристику навантаження, для чого при відключеному від мережі приводі М підключити на клеми якоря регульовану котушку індуктивності і повністюввести її осердя.

Увімкнути привод і, підтримуючи частоту струму гене-ратора f = 400 Гц, та, повільно виводячи осердя індуктивності, встановити струм якоря генератора таким, що дорівнює 0,5…0,8 I _н. Повільно регулюючи індуктивність і струм збудження генератора зняти по п’ять – шість показів приладів, слідкуючи при цьому за сталістю струму якоря.

Результати вимірювань записати у табл. 8.3.

Таблиця 8.3

Параметри	Вимірювання
I з, А
U,В

За даними табл. 8.3 побудувати індуктивну характеристику навантаження і за допомогою характеристики холостого ходу побудувати реактивний трикутник та визначити насичене значення опору X_d ,опір розсіювання X _dі НС реакції якоря K_аd F_аd ,виражену в масштабі струму збудження.

5. Зняти зовнішню характеристику при трьох характерах навантаження: активному, індуктивному і ємнісному. Для цього на холостому ході генератора реостатом R2 установити струм збудження, при якому ЕРС E ₀= U _н.

Установити максимальне значення опору навантаження і підключити його до генератора.

Підтримуючи постійною частоту f і не змінюючи струм збудження генератора навантажувати генератор, змінюючи для цього значення опорів навантаження. Зняти при цьому по п’ять – шість показів приладів.

Результати вимірювань записати у табл. 8.4.

Таблиця 8.4

Вимірювання	Обчислення	Умови досліду
U, В	I, А	P, Вт	сosj =	I з = А = const f = Гц

Дослід повторити при роботі генератора при індуктивному і чисто ємнісному навантаженні. В усіх дослідах струм якоря генератора не повинен перевищувати I _н.

За даними табл. 8.4 побудувати зовнішні характеристики генератора при різних характерах навантаження.

6. Зняти регулювальну характеристику генератора, для чого при відключеному навантаженні встановити ЕРС генератора E ₀ = U _н і підтримуючи реостатом R _зг сталу напругу, а реостатом R _зб постійну частоту навантажувати генератор, змінюючи для цього значення опорів навантаження. Зняти при цьому п’ять – шість показів приладів.

Дослід провести при активному, індуктивному і ємнісному характерах навантаження.

Результати вимірювань записано у табл. 8.5.

Таблиця 8.5

Вимірювання	Обчислення	Умови досліду
I з, А	I, А	сosj =	U = В = const f = Гц = const

За даними табл. 8.5 побудовані регулювальні характеристики генератора.

7. Висновки.

Дата добавления: 2015-11-05