Вопрос 34. Угловые характеристики синхронного генератора

Электромагнитная мощность неявнополюсногосинхронного генератора при его параллельной работе с сетью

(21.7)

где - угол, на который продольная ось ротора смещена относительно продольной оси результирующего поля машины (рис. 21.4).

Электромагнитная мощность явнополюсного синхронного генератора

(21.8)

где   и  — синхронные индуктивные сопротивления явнополюсной синхронной машины по продольно и поперечной осям соответственно, Ом.

Разделив выражения (21.7) и (21.8) на синхронную угловую скорость вращения , получим выражения электромагнитных моментов:

неявнополюсной синхронной машины

(21.9)

явнополюсной синхронной машины

(21.10)

где М — электромагнитный момент, Нм.

Анализ выражения (21.10) показывает, что электромагнитный момент явнополюсной машины имеет две составляющие: одна из них представляет собой основную составляющую электромаг­нитного момента

. (21.11)

другая — реактивную составляющую момента

. (21.12)

Основная составляющая электромагнитного момента   яв­нополюсной синхронной машины зависит не только от напряже­ния сети ( U₁), но и от ЭДС  , наведенной магнитным по­током вращающегося ротора  в обмотке статора:

. (21.13)

Это свидетельствует о том, что основная составляющая электро­магнитного момента зависит от магнитного потока ротора: ≡ . Отсюда следует, что в машине с невозбужденным рото­ром (= 0) основная составляющая момента = 0.

Реактивная составляющая электромагнитного момента   не зависит от магнитного потока полюсов ротора. Для возникновения этой составляющей достаточно двух условий: во-первых, чтобы ротор машины имел явновыраженные полюсы ( ) и, во-вторых, чтобы к обмотке статора было подведено напряжение сети (  ≡  ). Подробнее физическая сущность реактивного момента будет изложена в § 23.2.

При увеличении нагрузки синхронного генератора, т. е. с ростом тока I₁ происходит увеличение угла , что ведет к изменению электромагнитной мощности генератора и его электромагнитного момента. Зависимости  и , представленные графически, называются угловыми характеристиками синхронной машины.

Рассмотрим угловые характеристики электромагнитной мощности  и электромагнитного момента явнополюсного синхронного генератора (рис. 21.5). Эти характеристики построены при условии постоянства напряжения сети ( ) и магнитного потока возбуждения, т. е. = const. Из выражений (21.8) и (21.11) видим, что основная составляющая электромагнитного момента и соответствующая ей составляющая электромагнитной мощности изменяются пропорционально сину­су угла (график 1), а реактивная составляющая момента (21.12) и соответствующая ей составляющая электромагнитной мощности изменяется пропорционально синусу угла 2 (график 2). Зависимость результирующего момента  и электромагнитной мощности от угла определяется графиком3, полученным сложением значений моментов и и соответствую­щих им мощностей по ординатам.

Рис. 21.5. Угловая характеристика синхронного генератора.

Максимальное значение электромагнитного момента   со­ответствует критическому значению угла  .

Как видно из результирующей угловой характеристики (гра­фик 3), при увеличении нагрузки синхронной машины до значе­ний, соответствующих углу ≤, синхрон­ная машина работает устойчиво. Объясняется это тем, что при ≤ , рост нагрузки генерато­ра (увеличение ) со­провождается увеличе­нием электромагнитно­го момента. В этом слу­чае любой установив­шейся нагрузке соответ­ствует равенство враща­ющего момента первичного двигателя сумме противодействую­щих моментов, т. е.  . В результате частота вращенияротора остается неизменной, равной синхронной частоте вращения.

При нагрузке, соответствующей углу >, электромагнит­ный момент M_я, уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующих моментов. При этом избы­точная (неуравновешенная) часть вращающего момента первично­го двигателя  вызывает увеличение частотывращения ротора, что ведет к нарушению условий синхронизации (машина выходит из синхронизма).

Электромагнитный момент, соответствующий критическому значению угла (), является максимальным М_mах.

Для явнополюсных синхронных машин = 60÷80 эл. град. Угол можно определить из формулы

(21.14)

Здесь

. (21.15)

У неявнополюсных синхронных машин   = 0, а по­этому угловая характеристика представляет собой синусоиду и угол = 90°.

Отношение максимального электромагнитного момента М_max к но­минальному  называетсяперегрузочной способностью синхронной машины или коэффициентом статической перегружаемости:

. (21.16)

Пренебрегая реактивной составляющей момента, можно записать

, (21.17)

т.е. чем меньше угол  , соответствующий номинальной на­грузке синхронной машины, тем больше ее перегрузочная способ­ность. Например, у турбогенератора = 25 ÷ 30°, что соответст­вует   = 2,35÷2,0.