выраженному в %. Для поддержания частоты fi=const при увеличении нагрузки необходимо соответствующим образом увеличивать п2.

Внешние и регулировочные характеристики генератора при активной и активно-индуктивной нагрузках приведены на рис. 8.4. В принципе они подобны соответствующим характеристикам для генератора постоянного тока и синхронного генератора.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения Ui = f{lH) при fi = const, cos ф = const, П2 = const, С=const. Регулировочная характеристика - зависимость тока конденсатора /с от тока нагрузки /н при 1/1 = const, fi = const, cos ф = const, 2 = = const.

C/P 120

80 kO 0

0,5 0,6 0,7 0,8 0,3 cos if

Рис. 8.3. Зависимость удельной емкости конденсаторов от созфг для автономных асинхронных генераторов

Рис. 8.4. Внешняя (а) и регулировочные (б) характеристики автономного асинхронного генератора

Напряжение генератора

U, = Ei-iiZj. (8.3)

При возрастании тока нагрузки /н, а следовательно при =const и активном или активно-индуктивном характере нагрузки напряжение генератора уменьшается по двум причинам: из-за возрастания падения напряжения /iZ, в обмотке статора и из-за снижения ЭДС £, в результате уменьшения магнитного потока машины. Последнее объясняется тем, что с ростом тока нагрузки увеличивается сопротивление Хт намагничивающего контура, что приводит к уменьшению намагничивающего тока /ц. Если же поддерживается постоянной не частота \\, а частота вращения ротора генератора 2, то напряжение уменьшается также из-за уменьшения частоты ft.

Для стабилизации напряжения генератора при изменяющейся нагрузке можно регулировать частоту вращения ротора 2 или магнитный поток машины. Последний способ применяют наиболее часто, его осуществляют изменением реактивной мощности Qc = = micoiCf/c поступающей в машину от конденсаторов. Для этого можно изменять емкость конденсаторов С или же подаваемое на

них напряжение Uc (например, посредством трансформатора, последовательно включенных резисторов и др.).

Наиболее сложно стабилизировать напряжение генератора, работающего на индуктивную нагрузку с переменной частотой вращения. Из (8.2) следует, что емкость С зависит от частоты fi генератора, т. е. от частоты вращения его ротора пч (рис. 8.5). При уменьшении частоты вращения п2 требуемая величина емкости резко возрастает. Подбор необходимой емкости следует выполнять, исходя из условий С=

= Сном( 2/Я2ном) при 2Н0М И С - Сном ( 2/ Ягном) при П2<Л2 ном- Из

этих соотношений вытекает.

0.5 0,7 3.9 1,1 п/п

Рис. 8.5. Зависимость емкости от относительной частоты вращения генератора для мащин мощностью 4,5 кВА при холостом ходе

Рис. 8.6. Принципиальные схемы автоматического регулирования напряжения генератора путем изменения напряжения, подаваемого на конденсаторы

что автономные асинхронные генераторы целесообразно использовать при значениях 2/ 2hom0,9. При меньших 2 требуемая емкость быстро возрастает и генератор почти полностью загружается реактивным током.

Стабилизацию напряжения генератора, работающего при изменяющихся частоте вращения и нагрузке, можно осуществлять изменением величины подключаемой емкости, например, с помощью тиристоров Т (рис. 8.6, а), периодически присоединяющих к генератору добавочную емкость Сд. При отклонении напряжения ог номинального значения соответствующий управляющий элемент УЭ изменяет относительную продолжительность включения тиристоров, подключающих эту емкость.

Для автоматического регулирования напряжения в качестве добавочной емкости Сд целесообразно применять нелинейные конденсаторы (вариконды). При отклонении напряжения генератора от номинального значения управляющий элемент УЭ (рис. 8.6, б) изменяет напряжение f/д, подаваемое на вариконды, которые, изме-

няя свою емкость, стабилизируют напряжение генератора. При максимальной частоте вращения и в режиме холостого хода напряжение L/д, прикладываемое к варикондам, должно быть максимальным, а напряжение генератора -номинальным. При уменьшении напряжения генератора напряжение i/д уменьшается и емкость их возрастает. Такие регуляторы напряжения на варикондах обеспечивают хорошую стабилизацию напряжения генераторов мощностью 4, 8, 12 кВ-А и 400 Гц при изменении нагрузки от нуля до номинальной.

При использовании для стабилизации напряжения генератора трансформатора Т с переменным коэффициентом трансформации (рис. 8.7, а) его масса и габаритные размеры оказываются значительными (особенно при частоте 50 Гц), так как реактивная мощность подключаемых конденсаторов пропорциональна квадрату коэффициента трансформации. В этом случае потребуется включать дополнительную емкость для компенсации реактивной составляющей тока самого трансформатора. Стабилизировать напряжение генератора можно также с помощью насыщающегося реактора L (рис. 8.7, б). При увеличении нагрузки генератора и связанного с этим уменьшения его напряжения происходит уменьшение насыщения реактора L и увеличение его индуктивности. При этом уменьшается потребляемый им реактивный ток, что необходимо для повышения напряжения генератора. Однако этот способ требует увеличения емкости конденсаторов, а масса и размеры реактора получаются довольно большими, особенно при низких частотах.

Сравнение асинхронных и синхронных генераторов. Масса асинхронного генератора без устройств системы возбуждения значительно меньше, чем у синхронного генератора. Это объясняется тем, что у асинхронной машины меньший воздушный зазор, чем у синхронной, стержни беличьей клетки не требуют изоляции и их легче разместить на роторе, чем катушки возбуждения. Условия охлаждения сосредоточенной обмотки возбуждения синхронной машины хуже, чем у короткозамкнутой обмотки ротора. Как видно из рис. 8.8, масса асинхронной машины в диапазоне изменения мощности 5... 100 кВт примерно в 1,3... 1,4 раза меньше, чем синхронных. Если сравнить их с бесконтактными синхронными генераторами (например, индукторными), масса их примерно в 2...3 раза меньше.

Рис. 8.7. Принципиальные схемы регулирования напряжения генератора с помощью трансформатора с переменным коэффициентом трансформации (а) и насыщающегося реактора (6)

При сравнении указанных генераторов, учитывая устройства для их возбуждения, следует помнить, что масса и стоимость конденсаторов в ряде случаев значительно больше, чем у возбуждающих устройств синхронной машины. Конденсаторы должны обеспечивать намагничивающий ток асинхронного генератора, равный 25... 35% номинального для машин сравнительно большой мощности и до 70% для машин мощностью до 1 кВт. Кроме того, конденсаторы должны компенсировать индуктивную нагрузку потребителей.

М/Р, кг/кВт

ВОР, кВт О

Б Р,кВт

Рис. 8.8. Зависимость массы асинхронных и синхронных генераторов от мощности:

1, 2 - синхронный и асинхронный генераторы без возбуждающих устройств; 3, 4 -то же, с возбуждающими устройствами прн частоте 50 Гц и 3000 об/мнн; 5, в - то же, с возбуждающими устройствами прн частоте 400 Гц и 3000 об/мпн

При частоте 50 Гц и частоте вращения 3000 об/мин суммарная масса асинхронного генератора совместно с устройством для возбуждения несколько меньше, чем у синхронного генератора (рис. 8.8,6). При меньшей частоте вращения снижается созф и применение асинхронных генераторов становится экономически нецелесообразным. При частоте 400 Гц и частоте вращения 3000 об/мин масса асинхронного генератора значительно снижается, а при больших частотах вращения (6000... 8000 об/мин) асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением в 1,5 ...2,1 раза легче синхронных генераторов обычного исполнения и в 3... 5 раз легче индукторных. КПД асинхронных и синхронных генераторов с учетом устройств для их возбуждения примерно одинаков. Отметим высокую надежность асинхронных генераторов, что особенно важно при высоких частотах вращения; эти машины не требуют защиты от коротких замыканий, так как в этом режиме они развозбуждаются. Исследования показали, что асинхронные генераторы можно сравнительно легко включать на параллельную работу, даже при значительной разнице в их частотах вращения. При этом в сети устанавливается частота, равная среднему значению частот параллельно включенных генераторов.

в автономных асинхронных генераторах реактивная мощность конденсаторной батареи (кВ-А) довольно велика - 70... 100% номинальной мощности генератора, поэтому стоимость конденсаторов и варикондов составляет значительную часть всей энергетической установки. По этой причине в настоящее время рассматриваемые генераторы находят ограниченное применение. Их целесообразно использовать в качестве ав-

тономных источников питания при повышенной частоте (400 Гц и выше), высокой частоте вращения генератора (3000 об/мин и выше) и напряжении до 500 В, например для передвижных энергетических установок и для некоторых специальных целей. При большом напря-

Рис. 8.9. Принципиальная схема асинхронного двигателя двойного питания

Рис. 8.10. Схема замещения (а) и векторная диаграмма двигателя двойного питания (б)

женин резко повышаются масса и стоимость конденсаторов. Однако рассматриваемые генераторы являются весьма перспективными, так как по мере усовершенствования конденсаторов непрерывно снижаются их масса и стоимость.

8.2. Асинхронная машина двойного питания

Машина двойного питания АМ (рис. 8.9) выполнена так же, как и асинхронный двигатель с фазным ротором. Обмотка статора подключается к питающей сети непосредственно, а обмотка ротора - через регулируемый преобразователь частоты (ПЧ).

Для того чтобы векторы МДС статора и ротора были взаимно неподвижны, преобразователь частоты должен питать обмотку ротора током /г при частоте скольжения f2=f\S. Введение в цепь ротора добавочного напряжения U2 позволяет плавно регулировать

частоту вращения Пг в широких пределах как ниже, так и выше частоты 1 без больших потерь энергии, а также изменять коэффициент мощности С08ф1 двигателя. При регулировании такой машины изменяют частоту /2 и напряжение U2 на выходе преобразователя частоты ПЧ.

На рис. 8.10 приведены схема замещения и векторная диаграмма асинхронной машины двойного питания. В общем случае вектор напряжения Cf2 может быть сдвинут относительно ЭДС Ё2 на некоторый угол (я-б). При этом ток ротора

/2= {E2S + L/2)/Z2={E2se-if)/Z2 + {U2IZ2) е-Л-т.-8) (8.4)

/2=(£2/Z2) (se-. - 2,е-.<ь-(-8)),

(8.4а)

где U2* = U2lE2 - относительное значение напряжения U2 (в долях от ЭДС ротора Е2 при 2=0); ф2=агссо5 (РУгг) зависит от скольжения (под R2 понимается не только сопротивление самой обмотки ротора, но и сопротивление Ra цепи выпрямленного тока преобразователя ПЧ, отнесенное к одной фазе ротора, т. е. R2= =Р2дв+ m)Ra), Z2= YR2 + {sX?.

Активная и реактивная составляющие тока ротора (относительно ЭДС £2)

/2а = (£2/22) [S cos ср2 - cos (?2 + 8)];

/2p=(£2/Z2) [s sin (р2 - sin (92+ 8)]

(8.5) (8.6)

Активная составляющая тока ротора создает активную мощность и электромагнитный момент Л1 = СмФм/2а. а реактивная составляющая - реактивную мощность, циркулирующую в цепи ротора и статора.

Из (8.5) и (8.6) следует, что в машине двойного питания путем регулирования величины и фазы напряжения II2 можно изменять независимо активную и реактивную мощности двигателя. Так, например, можно при неизменном скольжении s поддерживать неизменным реактивный ток /гр при изменении нагрузки машины, т. е. тока /га, или же поддерживать определенное соотношение между активной и реактивной мощностями, например обеспечивать условие cos ф1 = const. При соответствующих значениях напряжения f/2 и угла б активная составляющая тока ротора может быть отрицательна при положительном скольжении или положительна при отрицательном скольжении. Следовательно, такая машина может работать в генераторном режиме при П2<П\ и в двигательном при

П2>П1.

Скольжение Sq, при котором электромагнитный момент Af = 0, можно определить из (8.5), положив /2а = 0:

(8.7)

0=2. (COS 8 + sin 8 tg 92).