Синхронды генераторлар

ПРАКТИКАЛЫҚ ЖҰМЫС №1

Тақырып «Синхронды генераторлар»

Синхронды машинаның өзіне тән белгісі –ротордың айналу жиілігі п₁ мен статор орамасындағы айнымалы тоқтың жиілігі f₁ арасындағы қатты байланыс болып табылады:

Яғни, синхронды машинаның статоры мен роторында айналатын магнит өрістер бірдей жиілікпен синхронды айналады.

Синхронды машиналар құрылысы бойынша айқындалған полюсті және айқындалмаған полюсті болып екіге бөлінеді. Айқындалған полюсті синхронды машинаның роторында полюстер айқын көрсетіледі және тұрақты тоқтан қоректенетін қоздыру орамасының орамдары орналасады. Мұндай машинаның өзіне тән белгісі –бойлық өспен (полюстердің өсі) өтетін және көлденең өспен (полюс аралық кеңістіктен өтетін ось) өтетін магниттік кедергілер әртүрлі болады және dd бойлық өспен өтетін статор ағынының магнит кедергісі qq көлденең өспен өтетін статор ағынының магнит кедергісінен едәуір аз.

Айқындалмаған синхронды машинада бойлық және көлденең өстермен өтетін магнит кедергілері бірдей болады, өйткені ауалық саңылау статордың периметрі бойынша бірдей.

Машина жұмыс жасаған кезде статор орамасында ЭҚК индукцияланады және максималды мәні магнит қозғағыш күшті (МҚК) тудыратын тоқтар өтеті.

Бұл МҚК айналмалы магнит өрісін тудырады, ал машинаның ауалық саңылауында δ таралу графигі ротордың құрылысына байланысты әр полюстік бөліктің τ шегінде магнитті индукция пайда болады (сурет 1.1).

Сурет 1.1. Айқындалмаған (а) және айқындалған (б) синхронды машинаның көлденең өспен өтетін магнит индукциясының таралу графиктері:

1 –МҚК графигі; 2 –магнит индукциясының графигі

Айқындалған полюсті синхронды машиналар үшін кернеу теңдеуі:

мұнда -синхронды машинаның негізгі магнит ағынына Ф₀ пропорционал негізгі ЭҚК; -синхронды машинаның бойлық ось якорь реакциясының МҚК-не пропорционал бойлық ось якорь реакциясының ЭҚК-і; - синхронды машинаның көлденең ось якорь реакциясының МҚК-не пропорционал көлденең ось якорь реакциясының ЭҚК-і; -шашыранды магнит ағынына Ф_σ негізделген шашыранды ЭҚК, бұл ЭҚК-тің шамасы статор орамасының шашыраңды индуктивті кедергісіне х₁ пропорционал:

-статордың фазалық орамасында активті кернеудің түсуі. Әдетте бұл шаманың мәні аз болуына байланысты ескерілмейді.

Айқындалмаған синхронды машина үшін кернеудің теңдеуі:

мұнда

-айқындалмаған синхронды машина якорь реакциясының ЭҚК-і.

Қарастырылған кернеудің теңдеуі кернеудің векторлық диаграммасына сәйкес келеді. Бұл диаграммаларды машинаның негізгі ЭҚК Е₀ мәнін немесе статор орамасының кернеу U₁ мәнін анықтау үшін тұрғызады. Кернеудің бұл теңдеуі және оларға сәйкес векторлық диаграммалар индуктивті кедергі шамасының азаюына әсер ететін синхронды машинаның магнит өткізгішіндегі магниттік қанығуды ескермейді. Бұл қанығуды есептеу күрделі, сондықтан синхронды машинаның кернеуі мен ЭҚК есептеу кезінде, синхронды машина жүктелген кезде якорь реакциясының әсерінен болатын магнитті жүйенің қанығу күйін ескеретін ЭҚК-тің тәжірибелік диаграммасын пайдаланады. ЭҚК-ң тәжірибелік диаграммасын тұрғызған кезде якорь реакциясының магниттеуші күшін бойлық және көлденең құраушыларға ажыратпайды, сондықтан бұл диаграмма айқындалған және айқындалмаған машиналарды есептеген кезде қолданылуы мүмкін.

Торапқа параллель қосылған синхронды генераторларға немесе синхронды қозғалтқыштарға қатысты есептерді шығарған кезде, электрмагнитті моменттің М жүктеме бұрышына θ тәуелділігін көрсететін синхронды машинаның бұрыштық сипаттамаларын қолданады. Айқындалған полюсті синхронды машиналарда екі момент әсер етеді: негізгі М_осн және реактивті М_р, ал айқындалмаған полюсті машиналарда –тек негізгі момент:

;

.

Жүктеме бұрышы θ_ном номиналды моментке М_ном сәйкес келеді. Синхронды машинаның максималды моменті желімен параллель жұмыс істейтін синхронды генераторлар мен синхронды қозғалтқыштар үшін маңызды мәні бар синхронды машинаның жүктемелік қабілетін анықтайды. Айқындалмаған синхронды машиналарда максималды момент θ=90^o жүктеме бұрышына cәйкес келсе, айқындалған полюсті машиналарда θ_кр>90^o және көбіне машинаның негізгі және реактивті электрмагнитті моменттеріне байланысты 60-80^o құрайды.

Айқындалған полюсті синхронды машиналардың асқын жүктемелік қабілетін анықтайтын шектік жүктеме бұрышын есептеу үшін:

мұнда

Синхронды машиналардың параметрлерін есептеген кезде, тұрақты жүктеме Р₂ кезіндегі статор тоғының I₁ қоздыру орамасындағы тоққа I_в тәуелділігін көрсететін U-тәрізді сипаттама қолданылады. Бұл ретте статор тізбегіндегі тоқтың өзгерісі , оның реактивті құраушысы есебінен болады. Сондықтан қоздыру тоғының I_в шамасын реттеу, тек статор тоғының емес, сонымен қатар қуат коэффициентін cosφ де қатар өзгертумен жүргізіледі. Статор тоғының активті құраушысы бұл кезде өзгеріссіз болады. Асқын қоздыру режимін тудырып, кернеуге қатысты желі тоғының фаза бойынша озуын тудырады. Ол желідегі қуаттар коэффициентін арттырады.

Синхронды машинадағы энергетикалық сипаттамалар оның жұмыс режиміне тәуелді. Егер машина генератор режимінде жұмыс істесе, онда генераторға жеткізілген механикалық қуат жетекті қозғалтқыштың айналу моментімен М₁ және айналу жиілігімен п₁ анықталады:

Осы қуаттың бір бөлігі механикалық Р_мех, магниттік Р_м және қосымша Р_д шығындарға кетеді. Егер генератордың қозуы жетекті қозғалтқыш айналдыратын қоздырғыштан жүргізілсе, онда аталған шығындарға қоздырудан келетін шығын да қосылады:

мұнда және -қоздыру тізбегіндегі кернеу мен тоқ; -қоздырғыштың ПӘК.

Аталған шығындарды алғаннан кейінгі қалдық қуат, генератордың статорына электрмагнитті жолмен берілетін генератордың электрмагнитті қуаты Р_эм болып табылады. Генератордың шығысындағы пайдалы қуат Р₂ электрмагнитті қуаттан статор орамасындағы электрлік шығынның шамасына аз:

Синхронды генератордың қосынды қуаты:

Генератордың пайдалы қуаты:

мұнда -генератордың шығысындағы толық қуат, ВА; -генератордың жүктеме тізбегіндегі қуаттар коэффициенті.

Егер синхронды машина қозғалтқыш режимінде жұмыс істесе, онда шығындар бұрығысынша қалады, бірақ қозғалтқыштың кірісіндегі электрлік қуат:

ал қозғалтқыштың шығысындағы қуат механикалық қуат болып табылады:

Синхронды машинаның пайдалы әсер коэффициенті:

ТАПСЫРМАЛАР

Тапсырма 1.1. Үшфазалы синхронды генератордың параметрлері (кесте 1.1):

-50 Гц жиілік кезіндегі номиналды шығыстық (желілік) кернеу U_1ном=330кВА;

-статор орамасы «жұлдызшамен» жалғанылған;

-статордың номиналды тоғы I_1ном;

-η_ном номиналды жүктеме кезіндегі генератордың ПӘК-і;

-полюстер саны 2р;

-генератордың кірісіндегі қуат Р_ном;

-номиналды жүктеме режиміндегі қуаттардың қосындысы ΣР_ном;

-шығыстағы толық номиналды қуат S_2ном;

-генераторға қосылған жүктемелердің қуаттар коэффициенті cosφ_1ном;

-генератор номинал жүктелген кездегі бірінші реттік қозғалтқыштың айналу моменті М_1ном.

Мәндері 1.1-ші кестеде көрсетілмеген параметрлерді анықтау қажет.

Кесте 1.1.

Параметрлер	Нұсқалар
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Sном, кВА	230	-	270	470	-	600	780	450	700	500
U1ном, кВ	3,3	3,2	0,4	-	0,7	3,2	6,3	0,4	-	3,2
ηном, %	90	-	-	91	90	93	-	-	93	92
2р	4	8	-	6	10	12	с6	-	6	10
Рном, кВт	-	-	206	-	-	-	667,4	369,5	-	-
ΣРном, кВт	-	27	18	-	-	-	-	-	-	-
cosφ1ном	0,87	-	0,85	0,9	-	0,92	-	0,9	0,92	0,85
I1ном, А	-	72,2	-	43,1	190	-	-	-	64,2	-
Р1ном, кВт	-	340	-	-	190	-	717,6	-	-	-
М1ном, Н∙м	-	-	-	-	-	-	-	7735	-	-

Шешімі:

1. Генератордың шығысындағы пайдалы қуат:

2. Генератордың кіріс қуаты:

3. Шығындылар қосындысы:

4. Номиналды режимдегі статор тоғы:

5. 2р=6 және f₁=50Гц тоқ жиілігі кезіндегі синхронды айналу жиілігі:

айн/мин.

6. Номиналды жүктеме режимінде роторы синхронды айналу жиілігімен айналатын генератор үшін қажетті жетекті қозғалтқыштың моменті:

Тапсырма 1.2. 1.2-ші кестеде айқындалған полюсті үшфазалы синхронды генератордың техникалық параметрлері берілген:

-генератордың негізгі ЭҚК-і (фазалық мәні) Е₀;

-генератор жүктемесінің номиналды тоғы (фазалық) I_1ном;

-негізгі ЭҚК Е₀ пен жүктеме тоғының (активті-индуктивті жүктеме) векторлары арасындағы фазалық ығысу бұрышы ψ₁;

-статор орамасынан таралатын х₁ индуктивті кедергі, бойлық ось бойындағы якорь реакциясының х_ad индуктивті кедергісі, көлденең ось бойындағы якорь реакциясының х_aq индуктивті кедергісі.

Генератордың векторлық диаграммасын тұрғызып, номиналды кернеу U_1ном, генератордың шығысындағы номиналды толық S_ном және активті Р_ном қуаттардың мәндерін және жүктемені тастаған кездегі кернеудің өзгерісін ΔU_ном анықтау қажет. Тоқтың жиілігі 50Гц; статордың орамасы «жұлдызша» жалғанылған, ал статордың активті кедергісін ескермеуге болады.

Кесте 1.2.

Параметрлер	Нұсқалар
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
E0, B	290	275	284	298	260	265	290	280	275	260
I1ном, А	90	90	108	120	36	28	140	54	90	36
Ψ1, град	48	48	50	45	55	48	54	50	48	55
х1, Ом	0,52	0,15	0,12	0,08	0,44	0,48	0,07	0,07	0,12	0,52
хad, Ом	1,0	1,32	1,24	1,18	1,65	1,82	1,07	1,07	1,24	1,0
хaq, Ом	0,74	0,55	0,48	0,32	1,15	1,22	0,90	0,90	0,48	0,74

Шешімі:

1. Айқын полюсті синхронды генератор кернеуінің теңдеуі:

,

2. Бойлық ось бойындағы якорь реакциясының ЭҚК-і:

.

3. Көлденең ось бойындағы якорь реакциясының ЭҚК-і:

4. Таралатын ЭҚК:

5. Кернеудің векторлық диаграммасын келесі тәртіппен тұрғызамыз (сурет 1.2):

Сурет 1.2 Активті-индуктивті жүктеме кезіндегі айқындалған полюсті синхронды генератордың ЭҚК векторлық диаграммасы

-диаграмманың бастапқы О нүктесінен еркін бағытта тоқтың I_1ном векторын жүргіземіз;

- m_U=2В/мм кернеудің бекітілген масштабымен осы вектордан Ψ₁ бұрышпен негізгі ЭҚК векторын жүргіземіз;

-жүктеменің индуктивті сипаты кезіндегі якорь реакциясының магнитсіздену әсерін ескеріп, ЭҚК векторының соңынан кері бағытта көлденең ось бойынша якорь реакциясының ЭҚК векторын жүргіземіз;

-әрі қарай осы вектордың соңынан 90⁰ бұрышпен негізгі ЭҚК векторына көлденең ось бойынша якорь реакциясының ЭҚК векторын жүргіземіз;

-содан кейін тоқ векторына 90⁰ бұрышпен вектордың соңынан таралатын ЭҚК векторын жүргіземіз.

-диаграмманың басын (О нүктесі) векторының соңымен қосып, генератордың шығысындағы номиналды кернеу векторын аламыз.

Оның ұзындығын (115,5 мм) өлшеп және кернеу масштабына m_U=2 В/мм көбейтіп, осы кернеудің мәнін анықтаймыз:

Статор орамасын «жұлдызша» жалғаған кезде, статор орамасының шығысындағы желілік кернеу тең.

және векторлары арасындағы бұрышты өлшеп, фазалық ығысуды және қуаттар коэффициентін (индуктивті).

6. Генератордың шығысындағы толық номиналды қуат:

.

7. Генератордың шығысындағы активті қуат:

.

8. Жүктеме босатылған кезде кернеудің номиналды өзгерісі:

яғни, жүктемені номиналдыдан бос жүріс режиміне дейін босатқан кезде, генератордың шығысындағы кернеу 21,2% артады.

Тапсырма 1.3. 1.2 кестеде келтірілген шамалардың мәнін пайдаланып, активті-сыйымдылықты жүктеме үшін генератордың талап етілген параметрлерін анықтау қажет; ЭҚК пен жүктеме тоғы векторлары арасындағы фазааралық ығысу бұрышын қабылдауға болады.

Шешімі:

1. 1.2 тапсырманы орындаған кезде мына мәндер нұсқа бойынша анықталды:

; ; .

2. Жүктеме сыйымдылықты сипаттамада болғанда, тоқ фаза бойынша ЭҚК-тен озады, сондықтан векторлық диаграмманы тұрғызған кезде жүктеме тоғының векторы ЭҚК векторынан солға қарай бұрышқа ығысады (1.3 сурет). Жүктеменің сыйымдылықты сипаты кезінде якорь реакциясы генераторға магниттеуші сипат көрсетеді. Сондықтан ЭҚК векторды негізгі ЭҚК векторының бағытымен қояды. Қалғаны 1.3 тапсырмада диаграмманы тұрғызған кездегі векторлық диаграмманы тұрғызған тәртіпке сәйкес орындалады. Тұрғызғаннан кейін нәтижесінде ұзындығы 170 мм номиналды кернеу векторы алынды. Кернеудің алынған масштабы m_U=2 В/мм бойынша, фазалық кернеуді , желілік кернеуді анықтаймыз. Тоқ және кернеу векторлары арасындағы фазалық ығысу бұрышы , қуаттар коэффициенті (сыйымдылық).

3. Генератордың шығысындағы толық номиналды қуат:

4. Генератордың шығысындағы активті қуат:

5. Жүктемені босатқан кездегі генератордың номиналды кернеу өзгерісі:

Яғни, кернеуді босатқанқан кезде генератордың шығысындағы кернеу 17,6%-ға артады.

Сурет 1.3 Активті-сыйымдылықты жүктеме кезіндегі айқындалған полюсті синхронды генератор кернеуінің векторлық диаграммасы

1.2 және 1.3 тапсырмалардың нәтижелерін салыстыратын болсақ, синхронды генераторлардың қасиеті (номиналды толық және активті қуаттар мәні, жүктемені босатқан кездегі номиналды кернеудің өзгерісі) жүктеменің сипатына айтарлықтай дәрежеде тәуелді болады.