Регулированием тока возбуждения синхронного генератора можно компенсировать влияние реакции якоря и стабилизировать выходное напряжение. Зависимость IВ = f(I1) при U1 = U1Н = const; n2 = n2Н = const и cosφ1 = const называется регулировочной характери-

стикой. Она показывает, как нужно изменять ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение оставалось постоянным. На рис. 8.14 показан типичный вид регулировочных характеристик для различных характеров нагрузки, построенных в предположении, что ве-

В настоящее время постоянное действующее значение напряжения на выходе генератора поддерживается при колебаниях нагрузки посредством быстродействующих автоматических регуляторов напряжения, приложенного к обмотке возбуждения СГ.

8.9. Мощность и КПД трёхфазных синхронных машин

Потребляемая из сети обмоткой статора трёхфазного СД или отбираемая с обмотки статора трёхфазного СГ активная электрическая мощность определяется как мощность трёхфазного симметричного приёмника [7, 12]:

201

где U1Ф и U1Л – фазное и линейное питающее напряжения; I1Ф и I1Л – фазный и линейный токи статора; cosφ1 – коэффициент мощности фазы статора (нагрузки).

Преобразование электрической энергии в механическую в СД

СГническая мощность на валу СД Р2 всегда меньше потребляемой мощности Р1. В , наоборот, мощность, генерируемая обмоткой машины Р1, меньше мощности, затрачиваемой на вращение ротора и возбужмаш ны. Разн ца мощностей на выходе и входе синхронной

или механической в электрическую в СГ, как и в других электрич е- ских машинах, связано с потерями энергии. Поэтому полезная меха-

машины оцен вается суммарными потерями мощности ΣР.

КПД с нхронного двигателя

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки и от её характера. КПД синхронных машин мощностью до 100 кВт составляет 80 – 90%, у более мощных машинКПДдостигает 92 – 99%. Более высокие значения КПД относятся к турбо- и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Все виды потерь в синхронной машине разделяются на основные и добавочные. Основные потери в синхронной машине склады-

ваются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение ротора, магнитных потерь и механических потерь. Доба-

где РЭ1 – электрические потери обмоток статора; РВ – потери на возбуждение; РМ 1 – магнитные потери в сердечнике статора машины; РМЕХ – механические потери; РДОБ – добавочные потери мощности.

202

Преобразование активной мощности в синхронной машине с возбуждённым ротором в двигательном и в генераторном режимах происходит аналогично преобразованию в асинхронной машине, рас-

тах ЩКУ (при его наличии); ηВ – КПД возбудителя (при его наличии),

ηВ = 0,80 – 0,85%.

В случае воз уждения ротора постоянными магнитами электри-

Механические потери РМЕХ – это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию (при самовентиляции машины). Величина

Добавочные потери РДОБ включают в себя пульсационные потери РП в полюсных наконечниках ротора, обусловленные пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхно-

203

сти статора, и добавочные потери при нагрузке РНАГР. Значение этих потерь определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов Р1. Для синхронных машин мощностью до 1000 кВт добавочные потери принимают равными 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт – 0,25 – 0,4%.

8.10. Характеристики трёхфазных синхронных машин

Ценной особенностью синхронных машин является возмож-

Принедовоз уждении машины в обмотке статора преобладает индукт вная реакт вная составляющая тока, а при перевозбуждении

быточен для создан я ходимого магнитного поля в машине [9].

– ёмкостная. Т.е. недовоз уждённая машина потребляет из сети реактивную мощность, а перевоз уждённая отдает в сеть реактивную

ния из сети потребляется реактивная мощность, и машина работает с отстающим относительно напряжения реактивным током. У перевозбуждённой машины МДС ротора избыточна и для её компенсации МДС статора должна размагничивать машину. Вследствие этого она работает с опережающим реактивным током статора, а излишняя реактивная мощность отдаётся в сеть.

Зависимость тока статора от тока возбуждения I1 = f(IВ) при постоянных значениях активной мощности Р или электромагнитного

204

момента М (так как Р ~ М) называется U-образной характеристикой

синхронной машины (рис. 8.15) и справедлива как для двигательного, так и для генераторного режимов [9, 12].

Регулированием тока возбуждения при любой нагрузке синхронной машины можно создать режим, при котором она работает с коэффициентом мощности cosφ1 = 1 – нормальное возбуждение, что является наиболее рациональным режимом её эксплуатации. При этом обмотка статора машины нагружена чисто активным током и потери энергии в ней минимальны. В большинстве случаевИнагрузка СГ имеет активно-индуктивный характер, и для компенсации индуктивных токов приходится несколько перевозбуждать генератор, создавая реактивную ёмкостную мощность в обмотке статора, компенсирующую реактивную индуктивную мощность нагрузки.

Если при достижении предельно допустимого тока статора машины невозможно свести фазовый угол нагрузки φ к нулю за счёт тока возбуждения, то активный ток приёмника СГ или механическую нагрузку на валу СД нужно уменьшить.

При постепенном уменьшении тока возбуждения в определенный момент наступает настолько сильное ослабление магнитного потока обмотки возбуждения, что синхронная машина выпадает из син-

205

хронизма – пропадает связь между магнитными полюсами ротора и вращающимся полем статора. Если соединить все точки минимально возможных токов возбуждения на U-образных характеристиках, то получится линия предела устойчивости синхронной машины при недовозбуждении. С ростом момента нагрузки на валу двигателя или активной нагрузки генератора предельное значение тока возбуждения, обеспечивающее устойчивую работу машины, увеличивается.

При работе СД от сети с U1 = const; f1 =const и постоянном токе возбужден я его рабоч е характеристики представляют собой зави-

Частота вращения ротора всегда равна синхронной частоте n = n , n f P И2 0

поэтому график 2 = ( 2) имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Вращающий момент на валу СД прямо пропорционален мощности. Так как рабочие характеристики снимают при неизменной частоте вращения, то график M = f(P2) имеет вид прямой.

Активная потребляемая мощность двигателя P1 = P2 + ∑P. С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются потери ∑P, поэтому потребляемая мощность P1 растет быстрее полезной мощности P2 и график P1 = f(P2) имеет несколько криволинейный вид.

График cosφ1 = f(P2) зависит от степени возбуждения двигателя. Если при холостом ходе установить cosφ1 = 1, то при увеличении нагрузки машина будет недовозбуждена, что приведет к потреблению из сети реактивной мощности и снижению общего коэффициента

206

мощности сети. Если установить cosφ1 = 1 при номинальной нагрузке или при нагрузке, несколько превышающей номинальную, то при недогрузке СД будет перевозбуждён, отдавая в сеть реактивную мощность, что приведёт к повышению коэффициента мощности сети.

Ток в обмотке статора двигателя c увеличением нагрузки на валу двигателя растёт быстрее, чем потребляемая мощность P1, вследствие уменьшения коэффициента мощности cosφ1.

Мгновенное значение частоты вращения ротора синхронной

где хL1 – индуктивное сопротивление фазы статора.

Выражение (8.19) представляет собой основную составляющую электромагнитного момента Mосн, которая имеет место в любой синхронной машине независимо от конструкции ротора.

207

208

209

Соотношение максимального момента к номинальному так же,

как и для АД, называется коэффициентом перегрузки по моменту.

Номинальный угол рассогласования СД θн обычно составляет 25 – 30°, а перегрузочная способность λ – (2 – 3).

Для трёхфазной синхронной машины с явно выраженными полюсами зав с мость M = f(θ) имеет вид

синхронной Второебылослагаемое выражения (8.21) представляет собой реактив-

ную составляющую электромагнитного момента Mр, которая не зависит

женные полюса, так как только в этом случае синхронные индуктивные сопротивления по поперечной и продольной осям не равны, т.е. xq < xd. Из этого следует, что в неявнополюсной синхронной машине реактивная составляющая Mр = 0, так какДxd = xq = хL1, и электромагнитный момент M определяется лишь его основной составляющей Mосн.

На рис. 8.19 приведены графики зависимости электромагнитного момента и его составляющих от угла рассогласования явнополюсной синхронной машины: 1 – график основной составляющей Mосн = f(θ), он же является графиком момента неявнополюсной синхронной машины; 2 – график реактивной составляющей Mр = f(θ); 3 – график результирующего момента явнополюсной машины.