Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Лабораторная работа

Исследование синхронного генератора, работающего на индивидуальную нагрузку

В настоящее время синхронные генераторы являются основным источником электроэнергии. Их мощность - в пределах от нескольких киловатт до сотен тысяч киловатт. Синхронные генераторы устанавливаются в тепло - и гидроэлектростанциях, самолетах, судах, ими комплектуются различные передвижные источники электроэнергии.

Об основных свойствах синхронного генератора дают представление характеристики, которые определяют зависимость между напряжением на зажимах якоря, током возбуждения, током нагрузки при номинальной частоте вращения и постоянном коэффициенте мощности в установившемся режиме.

Цель работы:

Ознакомиться с принципом действия, конструкцией и с основными характеристиками синхронного генератора при работе на индивидуальную нагрузку, а также с методами экспериментального определения характеристик.

Программа работы:

Экспериментальная часть

Снять характеристики:

холостого хода U₁=f (I₂) при I₁=0, n=const;

индукционную нагрузочную U₁=f (I₂) при I₁=const, cos₁=0, n=const;

внешние U₁=f (I₁) при I₂=const, cos₁=const, n=const;

регулировочные I₂=f (I₁) при U₁=const, cos₁=const;

трехфазного, двухфазного и однофазного короткого замыкания

I_{1K (3),} I_{1K (2),} I_{1K (1)} =f (I₂) при n=const.

Обработка опытных данных:

построить опытные характеристики в именованных единицах (В, А), характеристики холостого хода и индукционную нагрузочную построить на одном графике (рис.6.2);

синхронный генератор электроэнергия мощность

построить в относительных единицах на одном графике характеристику холостого хода и характеристики трехфазного, двухфазного и однофазного короткого замыкания, приведенные к началу координат, как показано на рис.6.6 На том же графике построить нормальную характеристику холостого хода. Сравнить последнюю с характеристикой холостого хода исследуемого генератора, учитывая их общую точку ;

определить по внешней характеристике при cos₁=0,707 изменение напряжения в процентах при уменьшении (сбросе) тока нагрузки от номинального до нуля;

определить в относительных единицах номинальный ток возбуждения I_2н при номинальном токе якоря I_1н, номинальном напряжении U_1н и cos=0,707.

Экспериментальная часть:

Описание установки. В данной работе синхронная машина исследуется в режиме генератора, работающего на индивидуальную нагрузку. Приводным двигателем синхронного является машина постоянного тока (МПТ) независимого возбуждения, установленная на одной плите с синхронным генератором. Валы обеих машин соединены муфтой.

Принципиальная схема включения в сеть двигателя постоянного тока показана на рис.6.1 Схема смонтирована жестко и не требует никаких пересоединений.

Пуск двигателя осуществляется следующим образом. Подают питание на обмотку возбуждения включением выключателя ВК2 и с помощью реостата R_ВМПТ устанавливают максимальный ток возбуждения, измеряемый амперметром А₁. С помощью контактора П₂ /С₂ подают питание на обмотку якоря, предварительно установив выключатель ВК4 в положение "Д". Частоту вращения двигателя регулируют изменением тока возбуждения.

Исследуемые СМ выполнены в защищенном исполнении с естественным охлаждением. Концы обмотки статора (якоря) С₁ С₂ С₃ и нулевая точка выведены на клеммную доску (рис.6.2.). В соответствии со схемой опыта обмотка статора подключается к выключателю ВК1. Внимание: выключатель ВК1 в данной лабораторной работе должен быть всегда разомкнут. Для измерения тока, напряжения, мощности СМ используется комплектное измерительное устройство К-50, показания которого являются фазными величинами благодаря определенному соединению приборов между собой. С помощью соответствующих переключателей можно измерять напряжение, ток и мощность каждой фазы и при этом менять диапазон измерений приборов.

Регулируемая индуктивная нагрузка Х_нагр, которую представляет РНТ, включается выключателем ВК6. Активная нагрузка, выведенная на зажимы R₁ R₂ R₃, обеспечивается с помощью выключателей ВК11-ВК17. Ток нагрузки измеряется амперметрами А₅ и А₆, причем необходимо добиваться симметричной нагрузки по отдельным фазам, изменяя сопротивление нагрузки. Возбуждение СМ осуществляется от сети постоянного тока и подается с помощью выключателя ВК5, устанавливаемого в положение 1. Для измерения тока возбуждения СМ служит амперметр А₄, изменение тока возбуждения осуществляется реостатом R_ВСМ. Синхронная частота вращения СМ определяется с помощью лампового синхроноскопа.

1. Характеристика холостого хода представляет зависимость напряжения (ЭДС) обмотки якоря от тока возбуждения при холостом ходе и номинальной (синхронной) частоте вращения: U₁=f (I₂) или E₁₀=f (I₂) при I₁=0, n=n_H (при холостом ходе U₁=E₁₀).

Согласно ГОСТ 10169-68 характеристику холостого хода снимают при убывающем токе возбуждения I₂, причем изменение тока возбуждения производят плавно и только в одном направлении. Синхронный генератор приводят во вращение первичным двигателем с номинальной (синхронной) частотой вращения.

При разомкнутой внешней цепи нагрузки (выключатели ВК6 и ВК11 разомкнуты, (рис.6.2) возбуждают генератор до значения, при котором Е₁₀= (1,21,3) U_1н. Затем, плавно уменьшая ток возбуждения до нуля, записывают 5-7 значений Е₁₀ и I₂ в таблицу 6.1 По данным таблицы строят характеристику, как показано на рис.6.3 пунктирной кривой 1.

ЭДС Е₁₀ при I₂=0, наведенную остаточным магнитным потоком, измеряют вольтметром V₄ с пределами измерения 0-30 В. Опытную характеристику смещают параллельно самой себе по оси абсцисс вправо на величину I₂, получаемую графической экстраполяцией опытной характеристики до пересечения ее осью абсцисс, как показано на рис.6.3 (кривая 2). Соответствующие значения тока возбуждения для смещенной к началу координат характеристики 2 записывают в табл.6.1.

Таблица 6.1. Характеристика холостого хода I₁=0, n=n_н

2. Индукционная нагрузочная характеристика представляет зависимость напряжения на зажимах машины U₁ от тока I₂ возбуждения при постоянных значениях тока I₁ нагрузки, коэффициента мощности cos₁=0 и частоте вращения n: U₁=f (I₂) при I₁=const, cos₁=0, n=n_н. Эта характеристика не связана с каким-либо эксплуатационным режимом работы синхронного генератора. Она используется для определения расчетного индуктивного сопротивления Потье х_р, близкого по своему значения к индуктивному сопротивлению рассеяния х₁.

Порядок проведения опыта следующий: синхронный генератор вращают приводным двигателем с номинальной частотой вращения. Включают якорь на индуктивную нагрузку; изменяя сопротивление х_нагр и регулируя ток I₂ возбуждения генератора, устанавливают номинальный ток якоря I₁=I_1н при напряжении U₁= (11,1) U_1н. Затем, уменьшая напряжение U₁ снижением тока возбуждения, поддерживают неизменным ток нагрузки I_1н путем регулирования х_нагр. В табл.6.2 записывают значения напряжений на обмотке статора генератора и тока возбуждения для 4-5 точек характеристики, которую строят в одних и тех же осях координат с характеристикой холостого хода, как показано на рис.6.3 кривой 3.

Таблица 6.2. Индукционная нагрузочная характеристика, I₁=…, n=n_н=…

3. Внешние характеристики представляют зависимость напряжения U₁ от тока I₁ якоря генератора при постоянных значениях тока возбуждения, коэффициента мощности cos₁ и частоте вращения n: U=f (I₁) при I₂=const, cos₁=const, n=n_н. Характеристики снимают для режимов работы генераторов при активной нагрузке (cos₁=1) и смешанной активно-индуктивной нагрузке (cos₁=0,707). При активной нагрузке генератор включают на активное регулируемое сопротивление R₁, R₂, R₃.

При смешанной активно-индуктивной нагрузке генератор включают на параллельное соединенные активное R₁, R₂, R₃ и индуктивное х_нагр сопротивления. Регулируя величины R₁, R₂, R₃ и х_нагр, поддерживают во время опытов равенство токов в активном и индуктивном сопротивлениях (I_1a=I_1p). В этом случае угол ₁ между результирующим током I₁ якоря и напряжением U₁ остается постоянным и равным 45, что соответствует cos₁=0,707. В табл.6.3 записывают значения только результирующего тока I₁ и напряжения U₁.

Для каждого режима нагрузки снимают по две характеристики:

а) при увеличении тока нагрузки от нуля до минимального;

б) при уменьшении (сбросе) нагрузки от номинальной до нуля.

Внешнюю характеристику при увеличении тока нагрузки снимают следующим образом. Генератор приводят во вращение с номинальной частотой вращения приводным двигателем. Первую точку характеристики снимают при отключенной нагрузке (выключатель ВК1 разомкнут, I₁=0). Регулируя ток возбуждения I₂, устанавливают напряжение якоря равным номинальному. Эта точка U₁=U_н при I₁=0 будет первой точкой характеристики при увеличении нагрузки. Затем включают нагрузку и при том же токе возбуждения I₂ снимают еще 3-4 точки, увеличивая ток якоря I₁ до номинального при постоянном cos₁. Данные записывают в табл.6.3.

Таблица 6.3

Для снятия первой точки внешней характеристики при уменьшении (сбросе) нагрузки регулируют ток возбуждения I₂ и сопротивления нагрузки таким образом, чтобы при номинальном токе якоря (I₁=I_1н) и заданном cos₁ напряжение генератора было бы равно номинальному. Эта точка U₁=U_1н при I₁=I_1н будет первой точкой характеристики при уменьшении (сбросе) нагрузки. Затем при том же токе возбуждения снимают еще 3-4 точки характеристики, уменьшая ток якоря I₁ до нуля. Последняя точка (I₁=0) снимается при разомкнутом выключателях ВК6чВК11. Для каждой характеристики следует записать значение тока I₂ возбуждения, при котором проводился опыт. Вид характеристики показан на рис.6.4.

Изменение напряжения в процентах при уменьшении (сбросе) тока нагрузки от номинального до нуля определяется по формуле

,

где U₁₀ - напряжение генератора при I₁=0 (по внешней характеристике); U_1н - номинальное напряжение.

4. Регулировочные характеристики представляют зависимость тока I₂ возбуждения от тока I₁ якоря при постоянных значениях U₁, cos₁ и скорости вращения n: I₂=f (I₁) при U₁=const, cos₁=const, n=n_н. Эти характеристики показывают, как нужно регулировать ток возбуждения генератора при изменении нагрузки, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным.

В работе требуется снять регулировочные характеристики при U₁=U_1н для режима работы генератора на активную нагрузку (cos₁=1) и на смешанную активно-индуктивную нагрузку (cos₁=0,707).

Для каждой характеристики требуется снять 4-5 точек, причем обязательным является снятие первой точки I₁=0 (выключатель ВК1 разомкнут) и последней точки I₁=I_1н.

Следует отметить, что при снятии регулировочных характеристик надо регулировать ток возбуждения I₂ так, чтобы напряжение оставалось постоянным, равным номинальному U₁=U_1н. Данные опыта записывают в табл.6.4 Вид регулировочных характеристик показан на рис.6.5.

За номинальный ток возбуждения I_2н принимают ток, при котором напряжение на генераторе равно номинальному U₁=U_1н при I₁=I_1н и cos₁= cos_1н (условно считаем номинальным cos_1н=0,707). I_2н можно определить по регулировочной характеристике при I₁=I_1н, снятой при cos_1н=0,707. В относительных единицах этот ток равен

(о. е.).

Таблица 6.4. Регулировочные характеристики

5. Характеристики короткого замыкания трехфазного генератора представляют зависимости тока якоря I₁ от тока возбуждения I₂ при коротком замыкании начальных выводов фаз:

всех трех между собой;

двух между собой;

коротком замыкании одного вывода на нейтральную точку (рис.6.6).

По числу короткозамкнутых выводов генератора условились различать характеристики короткого замыкания: трехфазного I_{1к (3)} =f (I₂), двухфазного I_{1к (2)} =f (I₂) и однофазного I_{1к (1)} =f (I₂). Для каждой характеристики достаточно снять 3-4 точки, включая точку I₂=I_2Н. Данные опыта записываются в табл.6.5.

Таблица 6.5

Характеристики короткого замыкания U₁=0, n=n_н

Опыт к. з. проводят при соединении обмотки в звезду при номинальной частоте вращения n_н, хотя в отличие от предыдущих опытов нет необходимости поддерживать ее строго постоянной, так как ток короткого замыкания при постоянном возбуждении остается практически неизменным при отклонении частоты вращения от номинальной.

Для уменьшения нагрева обмоток в процессе опыта отсчеты следует производить быстро, причем измерения начинать с наибольшего тока I_1к1,2I_1н, затем уменьшать его.

Характеристики короткого замыкания могут не проходить через начало координат, так как при I₂=0 по обмоткам якоря протекает ток короткого замыкания от остаточной ЭДС.

Чтобы исключить влияние остаточной ЭДС, характеристики нужно сместить параллельно самим себе так, чтобы они проходили через начало координат.

Вид характеристики показан на рис.6.7.

Примечание: в теории синхронных машин при анализе рабочих режимов широко используется система относительных единиц. В настоящей работе все снятые характеристики вначале строят в именованных единицах по табл.6.1-6.5, затем характеристики холостого хода и короткого замыкания, смещенные (рис.6.3) к началу координат, строят в относительных единицах, как показано на рис.6.7.

Для расчета характеристик в о. е. значения токов и напряжений следует поделить на базисные величины. За базисную (единичную) величину тока якоря принимают номинальный ток якоря I_1н, за базисный ток возбуждения принимают ток возбуждения I₂₀, соответствующий номинальному напряжению генератора при холостом ходе, за базисную величину напряжения - номинальное напряжение U_1н. Таким образом, ток возбуждения и напряжение в относительных единицах могут быть записаны в следующем виде Для линейных значений U₁ и I₁ принимают за базисные линейные значения U_1н и I_1н; для фазных значений тех же величин за базисные принимают фазные номинальные значения U_1нф и I_1нф.:

,

знак "*" можно опустить, если в дальнейшем все расчеты ведутся в относительных единицах.

Характеристики холостого хода современных явнополюсных, так же как и неявнополюсных синхронных генераторов, построенные в относительных единицах, мало отличаются друг от друга. Средняя из этих характеристик принята за номинальную характеристику. Данные ее для явнополюсных генераторов приведены в табл.6.6.

Таблица 6.6. Нормальная характеристика холостого хода крупных явнополюсных машин

Нормальную характеристику холостого хода следует построить в общих осях координат и одинаковых масштабах с опытной характеристикой холостого хода (рис.6.6). Наибольшая разность ординат нормальной и опытной характеристик холостого хода (см. рис.6.6) в относительных единицах, умноженная на 100, равна а процентах наибольшему отклонению опытной характеристики от нормальной.

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит задача лабораторной работы?

2. Что указывается на щитке (на паспорте) синхронного генератора? Каковы номинальные данные исследуемой машины?

3. Объясните конструкцию синхронной машины.

4. В чем конструктивное различие турбогенераторов и гидрогенераторов? Каковы причины этого различия?

5. На статоре или на роторе располагается обмотка возбуждения в мощных синхронных генераторах?

6. Объясните устройство и значение обмотки возбуждения, обмотки якоря и успокоительной (демпферной) обмотки в синхронном генераторе.

7. Как осуществляется возбуждение синхронных машин?

8. Объясните принцип работы синхронного генератора и его назначение.

9. Как определить частоту ЭДС (тока) синхронного генератора, если известна скорость вращения ротора и число полюсов машины?

10. Как обеспечивается синусоидальность формы кривой ЭДС синхронного генератора?

11. Перечислите характеристики синхронного генератора.

12. Какая характеристика называется "характеристикой холостого хода" (х. х. х.) синхронного генератора? Как ее снять на исследуемой машине? Объясните форму кривой х. х. х

13. Какая характеристика синхронного генератора называется "индукционной нагрузочной"? Как ее снять на исследуемой машине? Как определить точку пересечения этой характеристики с осью абсцисс?

14. Объясните взаимное расположение х. х. х. и индукционной нагрузочной характеристики синхронного генератора.

15. Объясните взаимное расположение нагрузочных характеристик синхронного генератора, снятых при номинальном токе якоря и различном характере нагрузки (активной, индуктивной, емкостной).

16. Какие характеристики синхронного генератора называются "внешними"? Как их снять на исследуемой машине?

17. Как определить величину тока возбуждения, который нужно поддерживать постоянным при снятии внешних характеристик?

18. Поясните ход внешних характеристик синхронного генератора при различных значениях cos.

19. Каково значение внешних и регулировочных характеристик синхронного генератора?

20. Как по характеристикам определить величину изменения напряжения на зажимах якоря синхронного генератора (U %) при изменении тока нагрузки от нуля до номинального? Объясните причины изменения напряжения.

21. Какие характеристики синхронного генератора называются "регулировочными"? Как их снять на исследуемой машине?

22. Поясните ход регулировочных характеристик синхронного генератора при различных cos.

23. Поясните ход характеристик короткого замыкания и расскажите, как их снять на исследуемой машине.

24. Что называется "реакцией якоря" в синхронном генераторе? Как проявляется реакция якоря при различных характеристиках нагрузки генератора (активной, индуктивной, емкостной)?

25. Поясните реакцию якоря в синхронном генераторе с помощью рисунка картины поля (на поперечном разрезе машины) для случаев:

а) когда ток якоря совпадает по фазе с направлением ЭДС при холостом ходе (смешанная активно-емкостная нагрузка);

б) для отстающего от ЭДС тока (активная или смешанная активно-индуктивная нагрузка);

в) для тока, опережающего ЭДС (смешанная активно-емкостная нагрузка).

26. Объясните, в чем главное преимущество синхронных генераторов перед асинхронными.

Размещено на Allbest.ru