5. Выражение для эдс явно – неявнополюсного сг

6. Регулирование реактивной и активной мощности сг. U-образные характеристики: а) синхронного генератора сг, б) Синхронного двигателя сд

Регулирование реактивной мощности синхронной машины, включенной в сеть

Регулирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое же важное значение, как и регулирование активной мощности. Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей во многих электротехнических устройствах, работающих в энергосистеме. Регулирование реактивной мощности позволяет повысить перегрузочную способность этих устройств, поддерживать постоянство напряжения в сети, снизить ее перетоки по линиям и тем самым обеспечить устойчивую и экономичную работу энергосистемы. Вернемся вновь к режиму холостого хода синхронной машины (рис. 5.34, а). В этом режиме по обмотке возбуждения протекает ток , соответствующий по характеристике холостого хода напряжению сети . Увеличим ток возбуждения , тогда модуль ЭДС  возрастет и возникнет ток .

По отношению к напряжению синхронной машины  ток  будет индуктивным, а по отношению к напряжению сети  - емкостным (рис. 5.34, б), поэтому синхронная машина вырабатывает и отдает в сеть реактивную мощность . При уменьшении тока возбуждения ( ) модуль ЭДС  снижается и фаза тока  меняется на противоположную (рис. 5.34, в). В этом случае ток  по отношению к напряжению синхронной машины  является емкостным, а по отношению к напряжению сети  - индуктивным. Следовательно, сеть является источником реактивной мощности, и синхронная машина ее потребляет. Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины обуславливает изменение в обмотке якоря реактивного тока и, следовательно, происходит регулирование реактивной мощности. Синхронная машина, загруженная только реактивным током и не несущая активной нагрузки, называется синхронным компенсатором. Регулирование реактивной мощности возможно при работе синхронной машины в режимах генератора и двигателя. Согласно векторным диаграммам (рис. 5.35), в генераторном режиме при увеличении тока возбуждения (рис. 5.35, а) синхронная машина отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении тока возбуждения (рис. 5.35, б) потребляет из сети реактивную мощность. Аналогичные явления имеют место и в двигательном режиме (рис. 5.36).

При увеличении тока возбуждения (рис. 5.36, а) синхронный двигатель отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении (рис. 5.36, б) - потребляет реактивную мощность. Активная мощность при этом как в двигательном, так и в генераторном режимах, не меняется. Возможность плавного регулирования реактивной мощности в широких пределах является важным преимуществом синхронных машин перед асинхронными.

Регулирование активной мощности синхронной машины, включенной в сеть

После включения в сеть методом точной синхронизации синхронная машина работает в режиме холостого хода ( ). ЭДС  находится в противофазе с напряжением сети  (рис. 5.33, а). Для того, чтобы синхронная машина отдавала в сеть активную мощность, необходимо увеличить внешний момент на валу  в направлении вращения ротора. Тогда ротор начнет ускоряться. Вектор  сместится на угол q в направлении вращения ротора и возникнет ЭДС , под действием которой потечет ток . При этом вектор напряжения синхронной машины сохранит свое положение в противофазе с вектором напряжения сети  (рис. 5.33, б).

Проекция тока статора  на напряжение  положительна, а на напряжение  отрицательна, поэтому активная мощность будет вырабатываться синхронной машиной и отдаваться в сеть. Синхронная машина работает в режиме генератора. Соответствующий активной мощности электромагнитный момент будет действовать против направления вращения ротора. При равенстве моментов увеличение угла q прекратится и ротор вновь будет вращаться с синхронной частотой. Если к валу двигателя приложить внешний момент в направлении против вращения ротора, то ротор начнет тормозиться. Вектор  сместится на угол q в отрицательном направлении (против направления вращения). Под действием возникшей ЭДС  потечет ток , проекция которого на вектор напряжения синхронной машины  будет отрицательной, а на вектор напряжения сети  - положительной (рис. 5.33, в). Следовательно, направление потока активной мощности изменится на обратное. Синхронная машина переходит в режим двигателя, потребляя из сети активную мощность. Развиваемый ею электромагнитный момент будет действовать в направлении вращения ротора. При равенстве моментов  торможение ротора прекратится, и он вновь будет вращаться с синхронной частотой. Таким образом, синхронная машина обладает свойством саморегулирования (автоматического поддержания синхронной частоты вращения).

U-образная характеристика. Это зависимость тока статора от тока возбуждения ротора I=ƒ(I_в), когда момент на валу двигателя М= const.

Рис.2.150. Векторные диаграммы для фазы обмотки статора синхронного двигателя при разных токах.

Рис.2.151. U-образные характеристики синхронного двигателя.

Допустим, что двигатель работает при напряжении статора U_c = const и угловой скорости ω = const. Тогда из формулы (12) при постоянстве момента

M=(3U_cE₀sinΘ)/(ωX_син)=const

следует

E₀sinΘ=const   (13)

Полученное соотношение показывает, что при любом токе возбуждения ротора I_в (любой ЭДС Е₀) все проекции вектора E₀ на линию, перпендикулярную вектору U_с, одинаковы. Следовательно, годографом вектора E₀ является прямая а-b, параллельная вектору U_c и отстоящая от него на расстоянии E₀sinΘ. На рис. 2.150 построены векторные диаграммы двигателя при трех различных токах возбуждения. При большей ЭДС E₀₃ (перевозбуждение машины и наименьший угол Θ₃) ток статора I₃ опережает напряжение U_c на угол φ₃ т е. двигатель ведет себя как реактивный емкостной элемент. Поэтому двигатель потребляет из сети (вернее отдает) емкостную реактивную отрицательную мощность

Q₁=Q_c=3U_cI₃sinφ₃<0   (14)

Этот режим работы двигателя весьма ценен, так как его емкостной ток статора компенсирует индуктивные токи в сети от большинства других потребителей и тем самым улучшает cosφ всей сети. При меньшей ЭДС E₀₂ ток статора I₂ совпадает по фазе с напряжением U_c (в этом случае угол Θ₂ > Θ₃) и двигатель работает как активный элемент, потребляя из сети только активную электрическую мощность. Ток возбуждения, при котором cosφ = 1 обычно считается номинальным I_вн. И, наконец, при самой маленькой ЭДС E₀₁ < U_c (недовозбуждение машины и самый большой угол Θ₁) двигатель работает с отстающим током статора I₁, который имеет индуктивную составляющую. Поэтому потребляемая двигателем из сети реактивная мощность положительна

Q₁=Q_L=3U_cI₁sinφ₁>0   (15)

Таким образом, как при уменьшении, так и при увеличении тока возбуждения I_в по сравнению с номинальным изменяется величина ЭДС E₀, а значения тока статора I и фазового угла φ увеличиваются. При этом также меняется характер потребляемой двигателем электрической мощности из сети. Поэтому зависимости I = ƒ(I_в) имеют вид буквы U и называются U-образными. Их строят при условии U_c=const, M=const (P=const). Каждый двигатель имеет семейство U-образных характеристик для различных значений момента М и мощности P(рис.2.151).

Работа генератора с неизменным моментом. Неизменность внешнего момента на валу генератора эквивалентна неизменности его мощности Р = mUI_a cos φ. При работе на сеть большой мощности U = U_с = const, следовательно, при изменении тока возбуждения остается постоянной активная составляющая тока якоря I_a cos φ = const. На векторной диаграмме (рис. 6.35, б) это условие выражается в том, что конец вектора Í_а скользит по прямой АВ, перпендикулярной вектору напряжения Ú. Однако при неизменной мощности (для машины с неявновыраженными полюсами) справедливо условие

Рис. 6.36. U-образные характеристики синхронного генератора

Р = (mЕ₀U/X_сн )sinθ = const. При изменении тока возбуждения остаются неизменными все величины, кроме Е₀ и sin θ; следовательно, условие неизменной мощности приводит к условию Е₀ sin θ = const. На диаграмме это условие выражается в том, что конец вектора É₀ скользит по прямой CD, параллельной вектору напряжения Ú. Чем меньше ток возбуждения, тем меньше по модулю вектор É₀, но больше угол θ. Вектор тока I_а перпендикулярен вектору падения напряжения jÍ_а X_сн , поэтому его можно легко построить для каждого угла θ. На рис. 6.35,б показаны положения векторов É₀, Í_а и jÍ_а X_сн для трех значений тока I_в (эти векторы имеют индексы 1,2 и 3). Минимальному значению тока I_а соответствует режим работы при cos φ = 1. Чему соответствует определенный ток возбуждения. При увеличении тока возбуждения свыше этого значения или его уменьшения ток I_а возрастает. Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая U-образной характеристикой, представлена на рис. 6.36. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбужде-ния, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем больше ток возбуждения, соответствующий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная через точки минимумов, соответствует режимам работы генератора с cos φ = 1.