Режимы работы синхронной машины

Могут работать в режиме генератора и двигателя. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине (как и в асинхронной - см. рис. 14.9) магнитное поле в статоре, вращающееся с угловой скоростью ω. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля статора в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора и двигателя показано соответственно на рис. 15.3 а и б штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля статора показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающегося с угловой скоростью ω пары полюсов S_C и N_C, расположенных на статоре.

Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.

Если пренебречь всеми видами потерь энергии, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.

Чтобы заставить синхронную машину, включенную в сеть, работать в режиме генератора, отдавая энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол γ относительно оси полюсов статора в направлении вращения (см. рис. 15.3, а). Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создаёт тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование энергии механического движения первичного двигателя в электрическую энергию генератора. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора.

Если приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернётся нам некоторый угол γ относительно оси полюсов статора против направления вращения (см. рис. 15.3 б). Вновь изменяются токи в обмотках статора и возникнут электромагнитные силы взаимодействия токов обмоток статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь за собой ротор в направлении движения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины. То есть синхронная машина переходит в режим двигателя.

Синхронная машина работает в режиме генератора или двигателя в зависимости от механического воздействия на вал машины, причём электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.

Энергетический баланс и КПД синхронного генератора.

Э лектрическая мощность статора складывается из потерь мощности в проводах Р_ПР и электрической мощности Р, которую генератор отдаёт в сеть. Помимо этого имеют место потери механические Р_МП, потери на гистерезис и вихревые токи в стали Р_с. Имеют место потери на возбуждение постоянным током Р_ВОЗ (см. рис.15.5).

Мощность генератора пропорциональна его линейным размерам в четвертой степени, поэтому с увеличением мощности приходится усиливать его охлаждение путём вентиляции машины. В крупных турбогенераторах N>25 МВт

применяют водородное охлаждение (его теплоёмкость больше воздуха в 14 раз, теплопроводность в 7 раз, коэффициент теплоотдачи в 1,35 раз).

КПД генератора определяют как отношение мощности генератора к мощности первичного двигателя (удобнее отнести к мощности генератора и всем потерям:

η=3U I cosφ/(3U I cosφ+P_ПОТ)

На рис. 15.6 показана зависимость КПД от нагрузки генератора Р и коэффициента мощности нагрузки cosφ.