21. Электромагнитная мощность и момент, угловые характеристики синхронных генераторов

Поле якорной обмотки статора 1 имеет полюса N_я и S_я. Вращающееся вместе с ротором поле 2 обмотки возбуждения, имеет полюса N и S. В установившемся синхронном режиме поля обмотки якоря и обмотки возбуждения вращаются с синхронной скоростью n₁. Полюсные системы обмоток якоря и обмотки возбуждения неподвижны относительно друг друга. Между ними происходит постоянное взаимодействие и возникает электромагнитная сила F, стремящаяся ориентировать ротор таким образом, чтобы поля обмоток якорной и возбуждения были направлены согласно.

Силы, возникающие при этом, можно моделировать, используя стремящиеся сократиться резиновые нити 3, натянутые между разноименными полюсами систем якоря и обмотки возбуждения.

Если машина не имеет нагрузки, то разноименные полюса систем якоря и обмотки возбуждения устанавливаются напротив друг друга по одной оси и электромагнитный момент отсутствует. Электромагнитная сила F, действующая между полюсами, имеет радиальное направление.

В генераторном режиме приводной двигатель или турбина создают вращающий момент на валу. Вал генератора вместе с полем ротора поворачивается и опережает поле якорной обмотки на угол Θ. Вследствие этого электромагнитные силы F притяжения полей ротора и статора имеют тангенциальные составляющие F_τ, создающие тормозной электромагнитный момент. С увеличением нагрузки генератора угол Θ увеличивается, т. е. поле статора в большей степени отстает от поля ротора. При увеличении угла Θ в некоторых пределах увеличиваются F_τ и электромагнитный момент генератора. Максимум момента соответствует значению Θ = 90°, когда ось полюсов ротора расположена между осями полюсов суммарного потока.

Если машина переходит в двигательный режим, то на вал действует внешний момент, притормаживающий ротор. Вследствие этого вал двигателя вместе с полем ротора поворачивается и отстает от поля статора на угол Θ. В этом случае тангенциальные составляющие электромагнитных сил меняют направление и возникает вращающий электромагнитный момент двигателя. Таким образом, при переходе из генераторного режима в двигательный установившаяся скорость вращения машины не меняется, а меняется знак угла Θ.

В статоре синхронного генератора имеют место электрические потери в обмотке якоря Р_эя и потери в стали сердечника.

Электромагнитная мощность, передаваемая от ротора к статору электромагнитным полем равна:

Р_эм = Р₂ + Р_эя + Р_с.

В синхронных машинах большой и средней мощности потери в обмотке якоря Р_эя и потери в стали сердечника Р_с малы по сравнению с электрической мощностью отдаваемой генератором сеть. Если ими пренебречь, то электромагнитная мощность будет равна полезной мощности Р₂, отдаваемой генератором в сеть:

Р_эм ≈ Р₂ =m₁U₁I₁ cosφ₁.

где ₁ — количество фаз;

₁ — угол между током и напряжением ;

— напряжение генератора, оно равно напряжению сети.

Для упрощения допустим, что генератор работает на сеть бесконечной мощности, т.е. и .

Чтобы установить, как зависит электромагнитная мощность Р_эм явнополюсной синхронной машины от угла нагрузки Θ, рассмотрим упрощенную векторную диаграмму, построенную при R₁ = 0.

Рис. Упрощенная векторная диаграмма явнополюсного синхронного генератора

Из векторной диаграммы:

где X_d = X_σ1 + X_ad; X_q = X_σ1 + X_aq.

Тогда

Подставляем в полученное выражение значения I_1d и I_1q. С учетом, что

получим

Из уравнения видно, что электромагнитная мощность явнополюсного синхронного генератора состоит из 2 частей. Первая (основная) составляющая связана с возбуждением в машине и зависит от ЭДС Е_f. Вторая (реактивная) составляющая существует и при отсутствии возбуждения и обусловлена наличием в явнополюсной машине чисто магнитного момента из-за стремления ротора ориентироваться по оси магнитного поля (подобно магнитной стрелке).

В неявнополюсной машине , а реактивная составляющая электромагнитной мощности равна нулю. Тогда

Электромагнитный момент явнополюсного синхронного генератора:

.

неявнополюсного

Кривые Р_эм = f(Θ) и М_эм = f(Θ) называют угловыми характеристиками синхронной машины.

Мощность синхронного генератора зависит от угла . Поэтому его называют нагрузочным углом. Угол , соответствующий максимальному электромагнитному моменту М_max , называется критическим.

У неявнополюсных синхронных машин угловая характеристика представляет собой синусоиду. Величина критического угла .

Для явнополюсной машины:

где .