Исследование самовозбуждения асинхронных генераторов

Понятие и классификация асинхронных генераторов, области их применения и значение. Энергетические соотношения и генераторный режим асинхронного двигателя. Физические основы самовозбуждения, осциллограммы тока статора при самовозбуждении генератора.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

Классификация асинхронных генераторов

Энергетические соотношения

Генераторный режим асинхронного двигателя

Физические основы самовозбуждения

Области применения асинхронных генераторов

Введение

Асинхронные самовозбуждающиеся генераторы (АСГ) находят широкое применение в промышленности, в основном как автономные источники электропитания.

Основные области использования АСГ: электроагрегаты и системы электроснабжения передвижных объектов, ветро- и гидроэнергетика малой мощности, автономные источники электропитания передвижных маломощных потребителей повышенной частоты (ручной инструмент и др.), высокоскоростные источники электропитания, асинхронные стартергенераторы с газотурбинным приводом и др. Круг пользователей АСГ непрерывно расширяется.

С одной стороны это объясняется тем, что АСГ легко реализуется на основе наиболее массовой асинхронной машины, обладающей известными достоинствами, а с другой -- широкими и, главное, разнообразными возможностями эффективного практического применения АСГ на основе использования особых свойств этих машин. Возможности эти все еще недостаточно известны широкому кругу специалистов.

В ранее опубликованных книгах по данной теме переходные процессы в АСГ не анализируются, между тем некоторые из них, например процессы самовозбуждения, могут быть рабочими режимами (в импульсных системах электроснабжения и т. д.).

Теория же и методы расчета установившихся режимов АСГ излагаются на основе использования круговой диаграммы проводимостей. Последняя может быть построена только в предположении постоянства частоты тока. Между тем АСГ, именуемый иногда асинхронным генератором с конденсаторным возбуждением, представляет собой резонансную систему, которая генерирует свободные электрические колебания.

Частота этих колебаний зависит от нагрузки и может изменяться относительно электрической частоты генератора на холостом ходу, даже при условии постоянства частоты вращения ротора, на 10--14 %, не говоря уже о тех случаях, когда данный генераторный режим используется для торможения асинхронного электропривода.

Классификация асинхронных генераторов. Энергетические соотношения

Асинхронные генераторы можно классифицировать по:

· способу возбуждения:

· характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная);

· способу стабилизации напряжения;

· рабочим областям скольжения;

· конструктивному выполнению;

· числу фаз.

Как видно, последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов. Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока машины. Классификация асинхронных генераторов по способу возбуждения является основной. Таким образом, условимся различать генераторы с самовозбуждением и с независимым самовозбуждением.

Асинхронные генераторы первого класса возбуждаются:

а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;

б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы второго класса возбуждаются от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения Частота генераторов первой группы в пределах нормальных нагрузок при постоянной частоте вращения ротора изменяется незначительно и может быть стабилизирована (например, с помощью балластных сопротивлений). Рабочими областями асинхронных генераторов являются области отрицательных и положительных скольжений, определяемых по соотношению

где n частота вращения магнитного поля, или синхронная частота вращения; n₂ частота вращения ротора, причем

rдe f₁ частота генерируемого напряжения;

р число пар полюсов машины.

Если электромагнитная мощность генератора является только мощностью скольжения, то питание нагрузки возможно лишь при отрицательных скольжениях. В области отрицательных скольжений работают самовозбуждающиеся генераторы и короткозамкнутые генераторы независимого возбуждения с трехфазной статорной обмоткой. Для короткозамкнутого генератора нормального исполнения xaрактерно, что егo статорная обмотка выполняет функции входной (возбуждения) и выходной (генераторной) обмоток. При раздельном выполнении входной и выходной обмоток электромагнитная мощность первой остается мощностью скольжения направление ее передачи зависит от знака скольжения, в то время как направление передачи электромагнитной мощности второй обмотки от скольжения не зависит.

К асинхронным генераторам независимого возбуждения, работающим в области положительных скольжений, относятся асинхронные тахогенераторы и асинхронные преобразователи частоты.

В ряде случаев на напряжение возбуждения включается обмотка ротора. Генераторы, возбуждаемые со стороны ротора, используются при параллельной работе с сетью и при работе на автономную сеть.

Если возбуждать ротор трехфазным током прямого или обратного следования фаз, частота которого пропорциональна скольжению, то при изменении частоты вращения ротора частота вращения поля и, соответственно, частота напряжения на выходе будут оставаться постоянными. Частота вращения поля может быть выбрана промежуточной между предельными значениями частоты вращения ротора.

Тогда при s=0 генератор должен возбуждаться постоянным током. Это послужило поводом к введению термина "асинхронизированная синхронная машина".

Практическое использование генератора в трех областях скольжений связано с решением ряда проблем. Более простая система генерирования переменного тока стабильной частоты получается при рaботе генератора в одной области положительных скольжений.

Среди асинхронных генераторов независимого возбуждения особое место занимает короткозамкнутый генератор, работающий в режиме асинхронного усилителя мощности переменного тока. Основными элементами генераторной установки являются асинхронный (АГ) и задающий (ЗГ) генераторы. Назначение ЗГ состоит в генерировании колебаний определенной частоты, а АГ- в усилении этих колебаний. В зависимости от типа ЗГ возможно получение переменного тока прецизионной частоты, необходимого для некоторых новых областей техники.

Рассмотрим операцию перевода асинхронной короткозамкнутой машины в режим генератора независимого возбуждения. Для этого достаточно асинхронный двигатель, включенный на напряжение сети, развернуть с помощью постороннего двигателя в направлении вращения магнитного поля до сверхсинхронной частоты вращения (рис.1). Положим, что значения скольжения машины в двигательном и генераторном режимах равны, что отмечено звездочками на шкале скольжений (рис. 2). Toгдa векторная диаграмма токов и напряжений примет вид, показанный на рис. 3.

Из анализа диаграммы следуют важные выводы:

1) асинхронный генератор является источником активной мощности, так как по сравнению с двигательным режимом у него изменяется направление только активной составляющей тока;

2) асинхронный генератор, так же как и двигатель, является потребителем реактивной мощности, необходимой для создания магнитного поля.

Генераторный режим асинхронного двигателя

(-<s<0). Для осуществления генераторного режима работы асинхронной машины ее нужно включить в сеть переменного тока и вращать с помощью соответствующего приводного двигателя (машина постоянного тока, тепловой или гидравлический двигатель) в сторону вращения магнитного поля со скоростью п превышающей синхронную скорость n₁.

Скольжение машины при этом отрицательно.

Рис 3. В двигательном режиме

Теоретически скорость п в генераторном режиме может изменяться в пределах , чему соответствует изменение скольжения в пределах . В действительности высокие скорости вращения недопустимы по условиям механической прочности, а по условиям ограничения потерь и нагревания и сохранения высокого к. п. д. в генераторном режиме возможны абсолютные значения скольжения такого же порядка, как и в двигательном режиме.

Рис4 В генераторном режиме.

Рассмотрим активные и реактивные относительно э.д.с. составляющие токи .

Физические основы самовозбуждения

Асинхронный генератор представляет собой нелинейную aвтоколебательную систему с двумя накопителями энергии емкостью и индуктивностью. При определенных условиях в цепи не возбужденной вращающейся машины возникают...