15.6. Схема замещения и упрощенная векторная диаграмма фазы синхронного генератора

Уравнению электрического состояния фазы статора синхронного генератора (15.3) соответствует схема замещения на рис. 15.4, а.

Построим теперь векторную диаграмму фазы синхронного генератора. Для этого выберем в качестве исходного вектор основного магнитного потокосцепления ψ₀, который направим влево по оси абсцисс (рис. 15.4, б). Вектор ЭДС E₀, индуктируемой потокосцеплением ψ₀, отстает от вектора ψ_о на 90°. Вектор тока статора (якоря) I отстает от Е_о на угол φ₀, определяемый соотношением реактивных и активных сопротивлений:

где х_я и r_н — индуктивное и активное сопротивления цепи нагрузки генератора. Вектор напряжения r_вi совпадает по направлению с вектором тока i, а вектор напряжения jxİ опережает этот вектор на 90°. Чтобы определить положение вектора напряжения U между выводами фазной обмотки генератора, вычтем из вектора Ė_о сумму векторов напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, фазной обмотки: U = Е_о — jxİ — rİ. Соединив концы векторов Ė_о и U, получим треугольник напряжений на активном и индуктивном сопротивлениях фазы генератора с гипотенузой Z_o6I.

Отметим, что для наглядности диаграммы мы преувеличиваем значение вектора напряжения ri.

15.7. Номинальная мощность и кпд синхронного генератора

Энергетический баланс синхронного генератора можно пояснить с помощью его векторной диаграммы (рис. 15.4, б). Вектор Ė_о и его составляющие проектируем на направление вектора тока i; тогда активная составляющая ЭДС

Это уравнение умножим на действующее значение тока I и таким путем преобразуем (15.5) в уравнение электрической мощности для одной фазы генератора:

Оно показывает, что электрическая мощность статора Р_эс складывается из мощности потерь в проводах якоря Р_пр и электрической мощности Р, с которой генератор отдает энергию в сеть. Но помимо мощности потерь в проводах в генераторе имеют место еще и мощность механических потерь Р_мп и мощность потерь на гистерезис и вихревые токи в электротехнической стали Р_с статора и полюсных башмаков. Из уравнения (15.6) видно, что мощность этих потерь покрывается не за счет электрической мощности, а непосредственно за счет механической мощности первичного двигателя. Соответствующая энергетическая диаграмма синхронного генератора показана на рис. 15.5. Кроме того, в синхронном гене­раторе имеют место потери энергии на возбуждение. Мощность потерь на возбуждение генератора равна мощности возбудителя постоянного тока Р_воз. Мощность возбудителя составляет примерно 0,3—1 % номинальной мощности для больших генераторов. Мощность всех потерь энер­гии в генераторе делится на мощность постоянных потерь, почти не зависящую от нагрузки, и мощность переменных потерь, изменяющуюся в зависимости от нагрузки. Мощность постоянных потерь Р_пос равна сумме мощностей потерь механических, возбуждения и в электротехнической стали; мощность переменных потерь Р_пер равна мощности потерь в проводах.

Электрическая мощность генератора, выраженная через фазные напряжения и ток, Р = 3UI cos φ, при одном и том же токе зависит от cos φ нагрузки. Но сечения проводников обмоток генератора рассчитываются на определенное значение тока, а его изоляция и сечение магнитной цепи — на определенное напряжение U; следовательно, эти величины выбираются независимо от cos φ нагрузки. По этой причине подобно трансформаторам номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S = UI, измеряемая в киловольт-амперах. Было бы нецелесообразно соединять генератор с турбиной, рассчитанной на его полную мощность S (деленную на его КПД), так как почти всегда cos φ < 1. Поэтому турбина к генератору обычно имеет несколько меньшую мощность, чем полная мощность генератора (например, из расчета cos φ = 0,8).

Мощность генератора пропорциональна его объему, поэтому с увеличением номинальной мощности генератора уменьшается поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу мощности, вследствие чего приходится создавать усиленное охлаждение искусственным путем посредством вентиляции машины. В крупных турбогенераторах количество воздуха, необходимого для вентиляции, весьма велико. В час для охлаждения машины требуется примерно столько воздуха, сколько весит сама машина.

Для генераторов мощностью более 25 000 кВ-А обычно применяется водородное охлаждение. Преимущества такого охлаждения определяются тем, что водород легче воздуха в 14 раз, его теплоемкость больше в 14 раз, теплопроводность — в 7 раз, а коэффициент теплоотдачи водородом с охлаждаемой поверхности — в 1,35 раза.

Коэффициент полезного действия генератораравен отношению мощности генератора, включенного в сеть, к мощности первичного двигателя; последнюю удобно представить как сумму мощности генератора и мощности всех видов потерь в машине; следовательно,

Уравнение КПД показывает, что с уменьшением нагрузки КПД также уменьшается. На рис. 15.6 приведены графики зависимости КПД генератора от нагрузки при различных значениях cos φ. С увеличением номинальной мощности генераторов возрастают КПД как самого генератора, так и его первичного двигателя.