Причины изменения напряжения генераторов при изменении нагрузки. Выбор АРН, его электрическая схема и принцип действия

Холостой ход. Э. д. с, индуцированная в каждой фазе обмотки якоря синхронного генератора, при холостом ходе

₀ = c_EФ_вn

c_E - постоянная величина, зависящая от конструкции машины (числа витков обмотки якоря, числа полюсов и др.);

Ф_в - магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения.
Регулирование напряжения и частоты. Из формулы следует, что регулировать э. д. с. (напряжение генератора) можно двумя способами: изменением частоты вращения n или изменением магнитного потока возбуждения Ф_в. Для изменения потока возбуждения в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат или автоматически действующий регулятор напряжения, которые позволяют изменить ток возбуждения, поступающий в эту обмотку, а следовательно, и создаваемый ею поток. Регуляторы напряжения широко применяют для регулирования возбуждения генераторов, работающих при переменной частоте вращения,

т.е. генераторов, приводимых во вращение от дизеля. При изменении частоты вращения n и нагрузки машины они автоматически изменяют ток возбуждения I_в, т.е. поток Ф_в, так, чтобы напряжение генератора было стабильным или изменялось по заданному закону. Регулирование частоты f₁ осуществляется изменением частоты вращения ротора.

Работа машины при нагрузке. При увеличении нагрузки синхронного генератора напряжение его изменяется. Это изменение происходит по двум причинам. При протекании тока нагрузки по обмотке якоря создается так же, как и в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, т.е. свой магнитный поток якоря Ф_я. Поток якоря Ф_я и поток возбуждения Ф_в вращаются с одинаковой частотой и создают, следовательно, некоторый результирующий поток Ф_рез = Ф_я+Ф_в. В результате э. д. с. машины Е = с_ЕФ_резn, т.е. будет отличаться от э. д. с. Е₀ при холостом ходе.

Воздействие потока якоря на результирующий поток синхронной машины называется реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, то и напряжение генератора будет зависеть от тока, проходящего по обмотке якоря, и его сдвига фаз относительно напряжения.

Когда ток в обмотке якоря совпадает по фазе с э. д. с. холостого хода Е₀ (см. рис. а), поток Ф_я действует по поперечной оси машины q - q; он размагничивает одну половину каждого полюса и под-магничивает другую. Результирующий поток Ф_рез в этом случае из-за насыщения магнитной цепи машины несколько уменьшается по сравнению с Ф_в.

В случае когда ток в обмотке якоря отстает от Е₀ на 90° (см. рис. б), поток якоря Ф_я действует по продольной оси машины против Ф_в, т.е. уменьшает результирующий поток (размагничивает машину); если ток в обмотке якоря опережает Е₀ на 90° (см. рис. в), поток Ф_я совпадает по направлению с Ф_в, т.е. увеличивает поток Фрез (подмагничивает машину). Если ток якоря отстает или опережает э. д. с. Е₀ на угол, меньший 90°, то это можно рассматривать как сочетание рассмотренных случаев. В общем случае если ток якоря отстает от напряжения, то реакция якоря действует размагничивающим образом. Она уменьшает результирующий поток и напряжение генератора. Когда ток опережает напряжение, то реакция якоря увеличивает результирующий поток и напряжение генератора.

Второй причиной изменения напряжения генератора при его нагрузке являются внутренние падения напряжения в обмотке якоря - активное и реактивное. Эти падения напряжения возникают в синхронной машине по тем же причинам, что и в асинхронном двигателе и трансформаторе.

Отдаваемая генератором мощность при одних и тех же значениях тока зависит от коэффициента мощности cosφ, при котором работает генератор, т.е. от характера его нагрузки. Однако проводники генератора рассчитываются на определенный ток, а его изоляция и магнитная система - на определенное напряжение и магнитный поток независимо от cosφ нагрузки. По этой причине номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S в киловольт-амперах (кВ*А), на которую рассчитана машина по условиям нагревания и длительной безаварийной работы. Регулировать активную мощность синхронного генератора при работе его на какую-либо нагрузку можно путем изменения сопротивления нагрузки или напряжения машины.

Так, как мы выбрали генераторы типа МСС, то для них уже существует схема СВАРН (система возбуждения и автоматического регулирования напряжения).

Система показала себя надежной в эксплуатации. Основные элементы, входящие в систему: синхронный генератор G; трансформатор компаундирования ТК; блок силовых выпрямителей UZ1 (включен на напряжение суммирующей обмотки w_c и подает питание на обмотку ОВГ); генератор начального возбуждения ГНВ с выпрямителем UZ2; управляемый дроссель с рабочими обмотками w_n и обмоткой управления w_y; компенсатор реактивной мощности (ТА, R3) с выключателем SA; резистор термокомпенсации RK; автоматический выключатель QF генератора; выключатель тока возбуждения QS; дополнительные резисторы Rl, R2, R3.

Вторичная обмотка iv трансформатора компаундирования и выпрямитель UZ3 образуют цепь питания обмотки управления дросселя насыщения. Все 3-фазные обмотки ТК расположены на 3-стержневом магнитопроводе. У стержня, на котором расположена обмотка wH, установлен магнитный шунт, который увеличивает индуктивное сопротивление этих обмоток. Векторы тока и магнитного потока Фн обмоток wH отстают от вектора напряжения на угол примерно 90°.

В режиме начального возбуждения генератора ГНВ через выпрямитель UZ2 обеспечивается устойчивое начальное возбуждение. В номинальном режиме работы СГ большее напряжение на выходе выпрямителя UZ1 запирает выпрямитель UZ2 и ГНВ оказывается отключенным. Часть энергии суммирующих обмоток w_c поступает в рабочие обмотгиwp управляемого дросселя. При увеличении тока в обмотке управления w сердечник дросселя подмагничивается, поэтому индуктивное (полное) сопротивление обмоток w_p уменьшается. Увеличивается ток в этих обмотках (ток отбора), а значение тока в ОВГ и напряжение генератора уменьшаются. Через управляемый дроссель происходит регулирование ЭДС генератора по напряжению и изменению температуры (температурная компенсация), а также распределение реактивных нагрузок при параллельной работе СГ. При уменьшении напряжения СГ уменьшается напряжение на обмотках w и выпрямителе UZ3. Уменьшению тока в обмотке w_y будет соответствовать размагничивание магнитопровода дросселя и уменьшение тока в обмотках w_£. Следовательно, ток выпрямителя UZ1 увеличится и напряжение СГ будет увеличено до стабилизируемого значения. При нагреве СГ падение напряжения на его обмотках увеличивается и при неизменной ЭДС генератора напряжение уменьшится. При нагреве сопротивление резистора RK, встроенного в корпус СГ, увеличится, ток в обмотках w_y уменьшится, индуктивное сопротивление обмоток w_p увеличится, что приведет к увеличению тока возбуждения и напряжения СГ. При одиночной работе генератора выключатель SA замкнут и ЭДС трансформатора тока ТА не влияет на работу регулятора. При параллельной работе СГ выключатель SA разомкнут и ЭДС трансформатора ТА создает ток через резистор R3, на нем возникает падение напряжения U_R3. На выпрямитель UZ3 поступает напряжение управления U_y = U_CB + U_R3.