12. Робота синхронного генератора під навантаженням

Якщо синхронний генератор не навантажений, тобто працює вхо­лосту, то струму в обмотках статора немає. Магнітний потік по­люсів, утворений струмом збудження, індукує у трифазній обмотці статора ЕРС.

Якщо генератор навантажений, то в обмотці статора протікає струм. У разі симетричного навантаження сили струмів статорної обмотки однакові і зсунуті на третину періоду. Статорні струми утворюють обертове магнітне поле, частота обертання якого п₁ =60ƒ/р = п, тобто магнітне поле, утворене струмами у статорній обмотці, обертається синхронно з магнітним полем полюсів. У статорній обмотці синхронного генератора утворюється ЕРС, яка залежить від магнітного потоку полюсів. Якщо магнітний потік полюсів дуже малий, той ЕРС також мала. Зі збільшенням магнітного потоку зростає й ЕРС машини. Отже, за сталої частоти обертання ротора ЕРС прямо пропорційна магнітному потокові, який збуджується постій­ним струмом, що протікає по провідниках обмотки збудження. Якщо підвищити силу струму в обмотці збудження, то зросте й магнітний потік полюсів, що обумовить збільшення ЕРС машини. Отже, зі еміною сили струму в обмотці збудження відповідно змінюється й ЕРС машини, а це дає змогу регулювати напругу на затискачах гене­ратора.

У разі холостого ходу синхронного генератора напруга на його ватискачах дорівнює ЕРС, що індукується у статорній обмотці. Якщо генератор навантажений, то напруга не дорівнює ЕРС, оскільки в опорі (активному й реактивному) статорної обмотки виникає спад на­пруги. Крім того, струми, протікаючи по статорних обмотках, утво­рюють потік якірної реакції, який діє на потік полюсів. Отже, при навантаженні магнітний потік не дорівнюватиме магнітному потоко­ві полюсів при роботі генератора вхолосту. Тому зміна навантажен­ня, тобто сили струму у статорі генератора, обумовлюватиме зміну напруги на затискачах генератора, якщо сила струму в обмотці збу­дження залишиться незмінною.

На рис. 96, а зображено зовнішні характеристики синхронного генератора при активному та реактивному навантаженнях. Ці харак­теристики показують залежність напруги на затискачах генератора від сили струму навантаження у разі незмінних частоти обертання ротора й сили струму збудження. Різний вигляд цих характеристик для активного, індуктивного та ємнісного навантажень пояснюється неоднаковою дією поля якірної реакції на магнітний потік полюсів.

Д ля нормальної роботи будь-якого приймача електричної енергії потрібна стала напруга в мережі. Щоб забезпечити сталу напругу в мережі при зміні навантаження у синхронному генераторі, змінюють і силу струму збудження.

Залежність, що показує, як потрібно зміню-вати силу струму в обмотці збуд-ження для того, щоб у разі зміни навантаження ге-нера­тора напруга на його затиска-чах залишалась незмінною, називається регулювальною характеристикою (рис. 96, б). За активного навантаження збільшення сили струму в статорі обумовлює незначне зниження напруги, оскільки реакція якоря мало зменшує магнітний потік. При цьому навантаженні потрібно незначною мірою збільшити силу струму збудження для забезпечення сталості напру­ги. За індуктивного навантаження утворюється розмагнічувальне поле якірної реакції, яке зменшує потік полюсів. Тому для сталості напруги, тобто для сталості результуючого магнітного потоку, треба більшою мірою підвищити силу струму збудження, щоб компенсува­ти розмагнічувальне поле якірної реакції. За ємнісного навантажен­ня відбувається підсилення магнітного поля і для сталості напруги треба знизити силу струму збудження зі збільшенням сили струму у статорі.

Н айчастіше синхронні генератори працюють на спільну потуж­ну мережу електростанції або енергосистеми. Напруга такої мережі U_M та частота струму в ній незмінні. Напруга на затискачах генера­тора дорівнює і протилежна за знаком напрузі в мережі: U_r = - U_м. Результуюче магнітне поле Ф_р статора, що обертається з частотою п₁ = п₁ =60ƒ/р у просторі, випереджає напругу U_r на 90° (рис. 97).

За незмінної напруги в мережі U_M амплітуда магнітного потоку Ф_р результуючого магнітного поля статора також незмінна. За ак­тивного навантаження генератора сила струму статора І збігається за фазою з напругою U_r. Потік якірної реакції Ф_я збігається за фазою з силою струму І, отже, вони зображу­ються одним вектором, але різного мас­штабу. Результуючий магнітний потік утворюється дією потоку полюсів Ф_т та потоку якірної реакції Ф_я і може бути поданий геометричною сумою цих маг­нітних потоків.

Зміна сили струму збудження в ге­нераторі не обумовлює зміни його ак­тивної потужності, оскільки потужність, споживана ним від первинного двигуна, залишається незмінною (обертаючий момент первинного двигуна і частота обертання - за значенням незмінні). Тому активна складова сили струму статора стала і кінець вектора І (Ф_я) знаходиться на прямій АВ, що пара­лельна горизонтальній осі. Якщо збільшити силу струму збудження, то зросте магнітний потік полюсів Ф_т, вектор якого знаходиться між прямою АВ і кінцем незмінного вектора Ф_р. У цьому випадку змі­ниться і за значенням, і за напрямком вектор І' і Ф΄_я, тобто сила струму відставатиме за фазою від напруги генератора. Зі зниженням сили струму збудження зменшиться також і потік полюсів Ф_т, що призведе до зміни сили струму в статорі і за значенням і за фазою. Отже, зміна сили струму збудження в генераторі, який пра­цює на потужну мережу, обумовлює зміну реактивної складової сили струму в статорі, тобто змінює реактивну потужність, яку виробляє генератор.

Щоб змінити активну потужність, треба змінити обертаючий мо­мент первинного двигуна, який приводить в обертання ротор синхрон­ного генератора. Під дією обертаючого моменту первинного двигуна М₁ ротор машини з розміщеними на ньому полюсами приводиться в обертання з частотою обертів за хвилину п. Результуюче магнітне поле статора обертається у тому ж напрямку з частотою п₁ = п (рис. 98, а). Отже, поле полюсів Ф_т і результуюче поле статора Ф_р обертаються синхронно, залишаючись нерухомими одне відносно дру­гого, і між цими полями встановлюється взаємодія. Внаслідок цього утворюється електромагнітний гальмівний момент М_е, який зрівно­важує момент первинного двигуна. За рівноваги моментів М₁ = М_е кут між осями магнітних полів θ залишається незмінним.

Я кщо збільшити момент первинного двигуна (рис. 98, б), то він виявиться більшим від гальмівного моменту, і ротор, одержавши певне прискорення, почне переміщатися відносно поля статора, яке обертається зі сталою частотою п₁ =60ƒ/р (частота струму в мережі ƒ стала). При цьому кут між осями магнітних полів ротора і статора θ₁ зростає, збільшуючи гальмівний електромагнітний мо­мент так, що знову відновиться рівновага моментів, тобто =

Для ввімкнення генератора в мережу потрібно: однакове чергу­вання фаз у мережі і в генераторі; однакові значення напруги в ме­режі та ЕРС генератора; однакові частоти ЕРС генератора та струму в мережі; вмикання генератора в той момент, коли ЕРС генератора в кожній фазі спрямована назустріч напрузі в мережі. Невиконання цих вимог призводить до того, що в момент ввімкнення генератора в мережу виникають струми, які можуть бути досить високими і вивес­ти генератор з ладу. Для вмикання генераторів у мережу використо вують спеціальні пристрої - синхроноскопи. Найпростіший синхроноскоп являє собою три лампи розжарення, які приєднуються між затискачами генератора і мережі. Лампи розраховують на подвійну напругу мережі; до ввімкнення генератора вони повинні одночас­но загорятися й гаснути. У той момент, коли ЕРС генератора дорівнює напрузі в мережі і спрямована назустріч їй, лампи погаснуть, оскіль­ки напруга на кожній лампі дорівнюватиме нулеві. Коли лампи по­гасли, генератор вмикається в мережу. До вмикання генератора в мережу, його ЕРС вимірюють вольтметром і, регулюючи силу струму збудження, встановлюють її однаковою з напругою мережі. Частоту ЕРС генератора регулюють зміною частоти обертання первинного двигуна.