Особенности работы синхронного генератора на выпрямительную нагрузку

Условия работы. Часто генератор постоянного тока заменяют синхронным генератором, на выходе которого включен полупроводниковый выпрямитель (рис. 6.63, а и б). Замена генератора постоянного тока синхронным дает возможность выполнить машину более быстроходной, что позволяет существенно уменьшить ее габариты и массу. Это объясняется тем, что в машинах постоянного тока для обеспечения удовлетворительной коммутации (см. гл. 8) ограничивают окружную скорость коллектора, а следовательно, и ротора. Кроме того, эксплуатация синхронного генератора, в котором отсутствует коллектор, проще, а надежность выше, чем у генератора постоянного тока.

Рис. 6.63. Схемы работы генератора на выпрями­тельную нагрузку при трехфазной нулевой (а) и мостовой (б) схемах выпрямления

Рис. 6.64. Графики ЭДС и тока в фазе обмотки якоря при трехфазной нулевой (а) и мостовой (б) схемах выпрямления

При работе генератора, на выходе которого включен выпрямитель, ток в фазах обмотки якоря является несинусоидальным. В зависимости от схемы включения вентилей этот ток представляет собой ряд одно- или двухполярных импульсов, форма которых близка к трапеции (рис. 6.64, а и б).

В ряде случаев выпрямитель, включенный на выходе синхронного генератора, выполняют управляемым (на тиристорах). Задерживая моменты открытия тиристоров на некоторый угол α (угол регулирования) относительно моментов, соответствующих началу прохождения тока через вентили в схеме неуправляемого выпрямителя (на диодах), можно изменять среднюю величину выпрямленного напряжения. Применение управляемого выпрямителя позволяет осуществлять быстродействующее регулирование напряжения генератора, так как при этом не требуется изменять его ток возбуждения. Можно также питать от одного генератора несколько нагрузок, регулируя напряжение на каждой из них независимо от других.

Обычно нагрузка (на стороне постоянного тока) имеет большую индуктивность, вследствие чего ток нагрузки I_d в большинстве случаев можно принять постоянным. Переход тока с одной фазы обмотки якоря к другой не может происходить мгновенно из-за индуктивности этих фаз. Поэтому в течение времени, соответствующего углу коммутации у, ток проходит одновременно через два вентиля и две фазы: в одной он возрастает от нуля до I_d, а в другой уменьшается до нуля. В результате первая гармоническая тока фазы отстает от. напряжения генератора на угол, примерно равный 0,5γ. При включении на выходе генератора управляемого выпрямителя первая гармоническая тока фазы отстает от ЭДС на угол α + 0,5γ. Угол коммутации у можно вычислить по формуле

(6.79)

где Х_к - индуктивное сопротивление фазы в режиме коммутации; Е_кm - амплитудное значение фазной ЭДС за сопротивлением Х_к.

Рис. 6.65. Кривые фазных ЭДС и токов при работе синхронного генератора на выпрямитель

При коммутации одновременно открыты однополярные вентили двух фаз (рис. 6.65), вследствие чего эти фазы оказываются замкнутыми накоротко и ток из одной фазы переходит в другую под действием разности фазных ЭДС. Так как время коммутации вентилей незначительно (доли полупериода), электромагнитные процессы в машине протекают так же, как и на начальном этапе внезапного двухфазного короткого замыкания. Поэтому в качестве сопротивления Х _кследует принимать индуктивное сопротивление для этого режима:

Х_к ≈ 0,25(3Х"_d +Х"_q),

где X "_d и Х "_q — сверхпереходные индуктивные сопротивления обмотки якоря (см. § 6.17).

Физически это означает, что несинусоидальный ток в обмотке якоря создает высшие гармонические МДС якоря и соответствующие потоки, которые индуцируют в демпферной обмотке и обмотке возбуждения высшие гармонические ЭДС и токов. В результате этого форма и величина результирующего магнитного потока машины остаются практически неизменными.

Векторная диаграмма. Векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, показана на рис. 6.66, а и соответствует уравнению

(6.80)

É_к = É₀ - jÍ_a(X_сн - Х_к).

В качестве тока I _а принимается его первая гармоническая; ЭДС Е _к и Е ₀ практически синусоидальны, так как индуцируются синусоидальным магнитным потоком. Для машины с явно выраженными полюсами векторная диаграмма (рис. 6.66,б) строится по уравнению

(6.81)

É_к = É₀ - jÍ_d (X_d - X"_d) - jÍ_q (X_q - Х"_q).

Как следует из векторных диаграмм, при работе генератора на выпрямительную нагрузку за угол φ принимают угол 0,5γ. Вектор первой гармонической напряжения на диаграммах обычно не показывают, так как для генератора, нагруженного на выпрямитель, практически важным является среднее значение выпрямленного напряжения Ú _d.

Рис. 6.66. Векторные диаграммы неявнополюсного и явнополюсного синхронного генератора, работающего на

В период коммутации вентилей, включенных, например, в фазы А и В (рис. 6.65), мгновенное значение выпрямленного напряжения U _d = 0,5 (e _А + е _В) меньше, чем при отсутствии коммутации. Следовательно, наличие индуктивного сопротивления Х _к приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения U _d по сравнению с его значением U _d0 при отсутствии коммутации (идеализированные условия) и к увеличению пульсаций в кривой выпрямленного напряжения (показана жирной линией на рис. 6.65). С учетом коммутации тока в выпрямителе при I _d = const среднее значение выпрямленного напряжения

(6.82)

где Δ U _к = nI_d Х _к /(2π/m) — среднее значение падения напряжения, обусловленного коммутацией тока в выпрямителе; n — число последовательно включенных коммутационных групп вентилей (1 — при нулевой и 2 — при мостовой схемах).

В общем случае U _d0 = √2Е_к sin (π/m)/(π/m).

При включении выпрямителя по трехфазной нулевой схеме U_d0 = 1,17Е_к, а по трехфазной мостовой схеме U _d0 = 2,34 Е _к, так как к вентилям приложена линейная ЭДС, равная √3 Е _к, и схема выпрямления эквивалентна шестифазной.

Использование мощности. При работе синхронного генератора на выпрямитель реализуемая мощность становится меньше номинальной, т. е. использование генератора ухудшается. Рассмотрим использование мощности на примерах двух наиболее распространенных схем выпрямления, заменив для простоты реальную форму тока прямоугольной с высотой I _d (см. рис. 6.64, а, штриховая линия).

При трехфазной нулевой схеме выпрямления (см. рис. 6.68,а) мощность одной фазы генератора

При прямоугольной форме тока действующее значение тока в любой фазе (А, В и С)
I_а = I_d√τ/Т = I_d /√3, где τ = Т/3 - время прохождения тока через данную фазу; Т — период изменения тока. Следовательно, мощность фазы

P_ф.в = (3√2/2π)I_аU cos(α + 0,5γ) = 0,677I_аU cos(2 + 0,5γ).

Поскольку мощность одной фазы синхронного генератора при работе без выпрямителя Р_ф = I_aU cos φ, то коэффициент использования генератора

(6.83)

k_исп.н = P_ф.в /Р_ф = 0,677 cos (α + 0,5γ)/cos φ.

Таким образом, при cos φ = 1 и α = 0, т. е. при отсутствии регулирования, мощность генератора, работающего на выпрямитель, снижается примерно на 1/3 по сравнению с мощностью генератора, работающего на чисто активную нагрузку. Это объясняется тем, что в данном случае ток проходит через фазу только в течение 1/3 периода.

Лучшее использование генератора обеспечивается при применении трехфазной мостовой схемы выпрямления (см. рис. 6.63, б), в которой ток проходит через фазу в течение 2/3 периода. В этом случае мощность одной фазы генератора

а действующее значение тока фазы I_а = I_d √2/3. Следовательно,

и коэффициент использования

(6.84)

k_исп.м = 0,955 cos (α + 0,5γ)/cos φ.

При увеличении угла регулирования α использование ухудшается, так как уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения. Одновременно в этом случае первая гармоническая тока якоря I_а все более отстает по фазе от напряжения U генератора, вследствие чего возрастает размагничивающее действие реакции якоря. На векторной диаграмме синхронного генератора, работающего на управляемый выпрямитель, вектор тока якоря I_а отстает на угол (α + 0,5γ) от вектора ЭДС Е _к и значение cos φ оказывается равным cos (α + 0,5γ).

Потери мощности. Высшие гармонические тока якоря создают дополнительные электрические потери в проводниках обмотки якоря (из-за явления вытеснения тока), увеличивая на 5 — 8% основные электрические потери в ней. Дополнительные магнитные потери в стали магнитопровода, появляющиеся от высших гармонических поля, невелики, так как высшие гармонические МДС существенно уменьшаются токами демпферной обмотки. Генераторы, работающие на выпрямитель, целесообразно снабжать мощными демпферными обмотками еще и потому, что это уменьшает сверхпереходные индуктивные сопротивления X"_d и X"_q (см. § 6.17), от которых зависят угол коммутации γ, влияющий на использование генератора.