20. Регулирование активной и реактивной мощности синхронных генераторов при параллельной работе

Рассмотрим способы регулирования мощности на примере неявнополюсного генератора.

Если пренебречь активным сопротивлением R₁, ток якоря можно определить из уравнения напряжения:

Так как U₁=U_с=const, то силу тока I₁ можно изменить только изменяя ЭДС Е_f по фазе или по величине.

Регулирования активной мощности. Если к валу генератора приложить внешний момент, больший необходимого для компенсации магнитных и механических потерь, то ротор приобретает ускорение. Вектор Е_f. смещается относительно вектора U₁ на угол Θ в направлении вращения векторов (рис.1, б), т. е. меняет фазу. Возникает небалансная ЭДС ∆Е=Е_f -U₁=jI₁х₁, приводящая к появлению тока I₁. Вектор I₁ отстает от вектора Е_f на 90°, так как его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением х₁.

При этом генератор отдает в сеть активную мощность Р=m₁U₁I₁cosφ_1. На его вал действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, и частота вращения ротора остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол Θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть. Для увеличения активной мощности генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний вращающий момент, а для уменьшения нагрузки — уменьшать этот момент.

а) б) в)

Рисунок 1 – Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора

при параллельной работе с сетью

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор Е_f будет отставать от вектора напряжения U₁ на угол Θ (рис.1, в). При этом возникают небалансная ЭДС ∆Е и ток I₁, вектор которого отстает от вектора Е_f на 90°. Так как угол φ₁>90°, активная составляющая тока находится в про-тивофазе с напряжением генератора. Следовательно активная мощность Р=m₁U₁I₁cosφ₁ забирается из сети. Машина переходит из генераторного в двигательный режим, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент. Частота вращения ротора при этом остается неизменной.

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 2, а), увеличить ток возбуждения I_f, то возрастет ЭДС Е_f (рис. 2, б). Возникнет небалансная ЭДС ∆Е=-jI₁х₁. По обмотке якоря будет проходить реактивный ток I₁, который определяется только индуктивным сопротивлением х₁ машины. Ток I₁ отстает по фазе от напряжения генератора U₁ на угол 90° и опережает на угол 90°напряжение сети U_с. При уменьшении тока возбуждения ток I₁ изменяет свое направление: он опережает на 90° генератора U₁ (рис. 2, в) и отстает на 90° от напряжения U_с.

При изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I₁ и реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока I₁ и активная мощность в режиме холостого хода равны нулю.

Рисунок 2 – Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора

при параллельной работе с сетью при отсутствии активной нагрузки

При работе машины под нагрузкой при изменении тока возбуждения также изменяется только реактивная составляющая тока I₁ и реактивная мощность машины Q.

При работе машины на сеть бесконечно большой мощности:

U₁ = Е_f + Е_а + Е_1σ = - U_с = const.

Суммарный магнитный поток, сцепленный с каждой из фаз,

ΣФ = Ф_f + Ф_а + Ф_1σ

не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным.

Режим возбуждения синхронной машины с током I_fн, при котором реактивная составляющая тока I₁ равна нулю, а cosφ₁=1,0, называют режимом полного нормального возбуждения.

Если ток возбуждения I_f >I_fн , такой режим называют режимом перевозбуждения. Ток якоря I₁ содержит отстающую от U₁ реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Реактивная составляющая тока I₁ создает размагничивающий поток реакции якоря. Реактивная составляющая тока направлена от генератора в сеть, так как . Генератор отдает реактивную мощность в сеть.

Если ток возбуждения I_f <I_fн , такой режим называют режимом недовозбуждения. Ток I₁ содержит опережающую U₁ реактивную составляющую, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Опережающая составляющая тока I₁ создает подмагничивающий поток реакции якоря. Реактивная составляющая тока направлена к генератору - генератор потребляет реактивную мощность.

Во всех случаях суммарный поток машины ΣФ автоматически поддерживается неизменным.

Зависимости тока статора от тока возбуждения I₁=f(I_f) при n₂= const, Р= const, U= const называются U-образными характеристиками.

П

Рис. U-образные характеристики синхронного генератора

ри увеличении нагрузки значение тока возбуждения I_fн соответствующее cosφ₁=1, увеличивается, потому что с ростом активной составляющей тока якоря увеличиваются потери напряжения в генераторе.

С уменьшением тока возбуждения наступает такой момент, при котором магнитный поток оказывается настолько ослабленным, что нагрузочный угол Θ превышает критическое значение, и генератор выпадает из синхронизма. Пунктирной линией отмечен предел статической устойчивости генератора при недовозбуждении.

Минимумы токов всего семейства U-образных характеристик лежат на линии, которая представляет собой регулировочную I_f=f(I₁) при cosφ₁=1.

Форма U-образных кривых зависит от величины x₁(x_d): при большем значении x₁ получаются пологие (тупые) кривые, при малом значении x₁ — острые.

Наиболее выгодным для генератора является его работа с нормальным током возбуждения, когда cosφ₁=1. Но так как нагрузка энергосистемы имеет индуктивный характер (асинхронные двигатели, люминесцентные лампы и др.) для уменьшения потерь энергии в линиях электропередачи генераторы работают в режиме перевозбуждения.

Чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируют и ток возбуждения, и вращающий момент.