Modes de fonctionnement des générateurs synchrones, caractéristiques de fonctionnement des générateurs

Les principales grandeurs caractérisant la génératrice synchrone sont : la tension aux bornes U, la charge I, la puissance apparente P (kVa), les tours rotor par minute n, le facteur de puissance cos φ.

Les caractéristiques les plus importantes du générateur synchrone sont les suivantes :

• caractéristique de ralenti,

• caractéristique externe,

• caractéristique régulatrice.

Caractéristique à vide d'un générateur synchrone

La force électromotrice du générateur est proportionnelle à l'amplitude du flux magnétique Ф créé par le courant d'excitation iv et le nombre de tours n rotor du générateur par minute :

E = cnF,

où s — facteur de proportionnalité.

Bien que l'amplitude de la force électromotrice d'un générateur synchrone dépende du nombre de tours du rotor, il est impossible de l'ajuster en modifiant la vitesse de rotation du rotor, car la fréquence de la force électromotrice est liée au nombre de révolutions du rotor du générateur, qui doit être maintenue constante.

Par conséquent, il reste le seul moyen d'ajuster l'amplitude de la force électromotrice d'un générateur synchrone - il s'agit d'un changement du flux magnétique principal F. Ce dernier est généralement obtenu en ajustant le courant d'excitation iw à l'aide d'un rhéostat introduit dans le circuit d'excitation du générateur. Dans le cas où la bobine d'excitation est alimentée en courant par un générateur de courant continu situé sur le même arbre que ce générateur synchrone, le courant d'excitation du générateur synchrone est ajusté en modifiant la tension aux bornes du générateur de courant continu.

La dépendance de la force électromotrice E du générateur synchrone au courant d'excitation iw à une vitesse nominale constante du rotor (n = const) et une charge égale à zéro (1 = 0) est appelée la caractéristique de ralenti du générateur.

La figure 1 montre la caractéristique à vide du générateur. Ici, la branche ascendante 1 de la courbe est supprimée lorsque le courant iv augmente de zéro à ivm, et la branche descendante 2 de la courbe - lorsque iv passe de ivm à iv = 0.

Riz. 1. Caractéristique de ralenti d'un générateur synchrone

La divergence entre les branches montante 1 et descendante 2 s'explique par le magnétisme résiduel. Plus la surface délimitée par ces branches est grande, plus les pertes d'énergie dans l'acier de la génératrice synchrone à inversion d'aimantation sont importantes.

La raideur de la montée de la courbe de ralenti dans sa section droite initiale caractérise le circuit magnétique de la génératrice synchrone. Plus le débit ampère-tour dans les entrefers de l'alternateur est faible, plus la caractéristique de ralenti de l'alternateur sera raide, dans d'autres conditions.

Caractéristiques externes du générateur

La tension aux bornes d'une génératrice synchrone chargée dépend de la force électromotrice E de la génératrice, de la chute de tension dans la résistance active de son enroulement statorique, de la chute de tension due à la force électromotrice d'auto-induction de dissipation Es et de la chute de tension due à la réaction d'induit.

On sait que la force électromotrice dissipative Es dépend du flux magnétique dissipatif Fc, qui ne pénètre pas dans les pôles magnétiques du rotor du générateur et ne modifie donc pas le degré d'aimantation du générateur. La force électromotrice d'auto-induction dissipative Es du générateur est relativement faible et peut donc être pratiquement négligée.En conséquence, la partie de la force électromotrice du générateur qui compense la force électromotrice d'auto-induction dissipative Es peut être considérée comme pratiquement égale à zéro .

La réponse de l'induit a un effet plus sensible sur le mode de fonctionnement de la génératrice synchrone et, en particulier, sur la tension à ses bornes. Le degré de cette influence dépend non seulement de la taille de la charge du générateur, mais également de la nature de la charge.

Considérons d'abord l'effet de la réaction d'induit d'un générateur synchrone pour le cas où la charge du générateur est purement active. A cet effet, nous prenons une partie du circuit d'un générateur synchrone de travail représenté sur la fig. 2, un. Voici une partie du stator avec un fil actif sur l'enroulement d'induit et une partie du rotor avec plusieurs de ses pôles magnétiques.

Riz. 2. Influence de la réaction d'induit sous charge: a - active, b - inductive, c - nature capacitive

A l'instant en question, le pôle nord de l'un des électroaimants tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre avec le rotor passe juste sous le fil actif de l'enroulement du stator.

La force électromotrice induite dans ce fil est dirigée vers nous en arrière du plan du dessin. Et comme la charge du générateur est purement active, le courant d'enroulement d'induit Iz est en phase avec la force électromotrice. Par conséquent, dans le conducteur actif de l'enroulement du stator, le courant circule vers nous en raison du plan du dessin.

Les lignes de champ magnétique créées par les électroaimants sont représentées ici en traits pleins, et les lignes de champ magnétique créées par le courant du fil d'enroulement d'induit sont représentées ici. - une ligne pointillée.

Ci-dessous dans la fig. 2, a montre un diagramme vectoriel de l'induction magnétique du champ magnétique résultant situé au-dessus du pôle nord de l'électro-aimant. Ici, nous voyons que l'induction magnétique V le champ magnétique principal créé par l'électroaimant a une direction radiale, et l'induction magnétique VI du champ magnétique du courant d'enroulement d'induit est dirigée vers la droite et perpendiculaire au vecteur V.

L'induction magnétique qui en résulte La coupe est dirigée vers le haut et vers la droite. Cela signifie qu'une certaine distorsion du champ magnétique sous-jacent s'est produite à la suite de l'ajout des champs magnétiques. À gauche du pôle Nord, il s'est quelque peu affaibli et à droite, il a un peu augmenté.

Il est facile de voir que la composante radiale du vecteur d'induction magnétique résultant, dont dépend essentiellement l'amplitude de la force électromotrice induite du générateur, n'a pas changé. Par conséquent, la réaction d'induit sous une charge purement active du générateur n'affecte pas l'amplitude de la force électromotrice du générateur.Cela signifie que la chute de tension aux bornes du générateur avec une charge purement active est due uniquement à la chute de tension aux bornes de la résistance active du générateur si l'on néglige la force électromotrice d'auto-induction de fuite.

Supposons maintenant que la charge sur un générateur synchrone est purement inductive. Dans ce cas, le courant Az est en retard sur la force électromotrice E d'un angle de π/2... Cela signifie que le courant maximal apparaît dans le conducteur un peu plus tard que la force électromotrice maximale. Par conséquent, lorsque le courant dans le fil d'enroulement d'induit atteint sa valeur maximale, le pôle nord N ne sera plus sous ce fil, mais se déplacera un peu plus loin dans le sens de rotation du rotor, comme le montre la Fig. 2, b.

Dans ce cas, les lignes magnétiques (lignes pointillées) du flux magnétique de l'enroulement d'induit sont fermées par deux pôles opposés adjacents N et S et sont dirigées vers les lignes magnétiques du champ magnétique principal du générateur créé par les pôles magnétiques. Cela conduit au fait que le chemin magnétique principal est non seulement déformé, mais devient également légèrement plus faible.

En figue. La figure 2.6 montre un diagramme vectoriel des inductions magnétiques : le champ magnétique principal B, le champ magnétique dû à la réaction d'induit Vi et le champ magnétique résultant Vres.

On voit ici que la composante radiale de l'induction magnétique du champ magnétique résultant est devenue inférieure à l'induction magnétique B du champ magnétique principal de la valeur ΔV. Par conséquent, la force électromotrice induite est également réduite car elle est due à la composante radiale de l'induction magnétique.Cela signifie que la tension aux bornes du générateur, toutes choses égales par ailleurs, sera inférieure à la tension à une charge de générateur purement active.

Si le générateur a une charge purement capacitive, le courant qu'il contient devance la phase de la force électromotrice d'un angle de π / 2... Le courant dans les fils de l'enroulement d'induit du générateur atteint maintenant un maximum plus tôt que l'électromoteur force E. Par conséquent, lorsque le courant dans le fil de l'enroulement de l'ancre (Fig. 2, c) atteint sa valeur maximale, le pôle nord de N ne pourra toujours pas accueillir ce fil.

Dans ce cas, les lignes magnétiques (lignes pointillées) du flux magnétique de l'enroulement d'induit sont fermées par deux pôles opposés adjacents N et S et sont dirigées le long du trajet avec les lignes magnétiques du champ magnétique principal du générateur. Cela conduit au fait que le champ magnétique principal du générateur est non seulement déformé, mais aussi quelque peu amplifié.

En figue. 2, c montre le diagramme vectoriel de l'induction magnétique : le champ magnétique principal V, le champ magnétique dû à la réaction d'induit Vya, et le champ magnétique résultant Bres. Nous voyons que la composante radiale de l'induction magnétique du champ magnétique résultant est devenue supérieure à l'induction magnétique B du champ magnétique principal de la quantité ΔB. Par conséquent, la force électromotrice inductive du générateur a également augmenté, ce qui signifie que la tension aux bornes du générateur, toutes autres conditions étant les mêmes, deviendra supérieure à la tension à une charge de générateur purement inductive.

Après avoir établi l'influence de la réaction d'induit sur la force électromotrice d'un générateur synchrone pour des charges de nature différente, nous procédons à la clarification des caractéristiques externes du générateur.La caractéristique externe d'une génératrice synchrone est la dépendance de la tension U à ses bornes à la charge I à vitesse constante du rotor (n = const), courant d'excitation constant (iv = const) et constance du facteur de puissance (cos φ = const).

En figue. 3 les caractéristiques extérieures d'une génératrice synchrone pour des charges de nature différente sont données. La courbe 1 exprime la caractéristique extérieure sous charge active (cos φ = 1,0). Dans ce cas, la tension aux bornes du générateur chute lorsque la charge passe du ralenti à la valeur nominale dans les 10 à 20 % de la tension du générateur à vide.

La courbe 2 exprime la caractéristique externe avec une charge résistive-inductive (cos φ = 0, huit). Dans ce cas, la tension aux bornes du générateur chute plus rapidement en raison de l'effet démagnétisant de la réaction d'induit. Lorsque la charge du générateur passe de la charge nulle à la valeur nominale, la tension chute à une tension à vide comprise entre 20 et 30 %.

La courbe 3 exprime la caractéristique extérieure de la génératrice synchrone à charge active capacitive (cos φ = 0,8). Dans ce cas, la tension aux bornes du générateur augmente quelque peu en raison de l'action magnétisante de la réaction d'induit.

Riz. 3. Caractéristiques externes de l'alternateur pour différentes charges : 1 — active, 2 — inductive, 3 capacitive

Caractéristique de contrôle d'un générateur synchrone

La caractéristique de commande d'un générateur synchrone exprime la dépendance du courant de champ i dans le générateur à la charge I avec une valeur efficace constante de la tension aux bornes du générateur (U = const), un nombre constant de tours du rotor du générateur par minute (n = const) et la constance du facteur de la puissance (cos φ = const).

En figue.4 trois caractéristiques de commande d'un générateur synchrone sont données. La courbe 1 se réfère au cas de charge actif (car φ = 1).

Riz. 4. Caractéristiques de commande de l'alternateur pour différentes charges : 1 — active, 2 — inductive, 3 — capacitive

Ici, nous voyons que lorsque la charge I sur le générateur augmente, le courant d'excitation augmente. Cela est compréhensible, car avec une augmentation de la charge I, la chute de tension dans la résistance active de l'enroulement d'induit du générateur augmente, et il est nécessaire d'augmenter la force électromotrice E du générateur en augmentant le courant d'excitation iv. maintenir la tension U constante.

La courbe 2 se réfère au cas d'une charge active-inductive à cos φ = 0,8... Cette courbe monte plus fortement que la courbe 1, du fait de la démagnétisation de la réaction d'induit, qui réduit l'amplitude de la force électromotrice E et donc la tension U aux bornes du générateur.

La courbe 3 se réfère au cas d'une charge capacitive active à cos φ = 0,8. Cette courbe montre que lorsque la charge sur le générateur augmente, moins de courant d'excitation i est nécessaire dans le générateur pour maintenir une tension constante à ses bornes. Cela se comprend puisque dans ce cas la réaction d'induit augmente le flux magnétique principal et contribue donc à augmenter la force électromotrice du générateur et la tension à ses bornes.