15.9. Электромагнитный момент и угловая характеристика синхронного генератора

Проанализируем зависимость электрической мощности Р и электромагнитного момента М_эмсинхронного генератора от угла θ < 0. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (см. рис. 15.8).

Электрическая мощность всех трех фаз синхронного генератора равна:

Построим на векторе Ė_о, как на гипотенузе, прямоугольный треугольник, частью катета которого будет U. Второй катет этого треугольника, противолежащий углу в,

на основании той же диаграммы Е_о cos φ₀ = U cos φ, что дает возможность выразить электрическую мощность синхронного генератора в следующей форме:

Электромагнитный момент, создаваемый взаимодействием тока якоря с магнитным полем машины, связан с ее электрической мощностью известным простым соотношением:

где синхронная угловая скорость ротора

на основании чего

Так как напряжение U и частота f в мощной электрической системе постоянны, то мощность и электромагнитный момент синхронного генератора при постоянном токе возбуждения зависят только от угла | θ |. Эта зависимость синусоидальна, она называется угловой характеристикой синхронного генератора (рис. 15.10); для мощности и электромагнитного момента она отличается лишь масштабом.

Угловые характеристики позволяют проанализировать процессы, происходящие в синхронном генераторе при изменении нагрузки.

Работа, совершаемая первичным двигателем, преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. При увеличении создаваемого первичным двигателем вращающего момента, М > М_д1 = М_эм1 (точка 1) ротор машины вследствие сообщаемого ему ускорения увеличивает угол | θ |. После нескольких колебаний около синхронной угловой скорости равновесие вращающего момента первичного двигателя и тормозного электромагнитного момента генератора восстанавливается (М_д2 = М_эм2, точка 2) при новом значении угла | θ₂ | > | θ₁ |.

Работа синхронного генератора устойчива при изменении угла | в | в пределах 0 — π/2. Значению | θ | = π /2 соответствуют максимальная электрическая мощность

и максимальный электромагнитный момент

Значение π/2 — | θ | определяет запас устойчивости синхронного генератора.

Область значений | θ | > π/2 соответствует неустойчивой работе синхронного генератора. В этих условиях вращающий момент первичного двигателя М_Д превышает максимальный тормозной электромагнитный момент генератора. Избыток вращающего момента (М_Д > М_эм) создает дальнейшее ускорение ротора, что обусловливает дальнейшее возрастание | е | и новое уменьшение тормозного момента и т. д., пока генератор не выпадет из синхронизма.

Чтобы восстановить запас устойчивости π/2 — | θ | синхронного генератора при увеличенной нагрузке, необходимо увеличить ток возбуждения (точка 3).

15.10. U-образная характеристика синхронного генератора

Ценной особенностью синхронного генератора, подключенного к электрической системе большой мощности, является возможность регулирования его реактивного тока посредством изменения тока возбуждения. Чтобы пояснить это, обратимся к векторной диаграмме фазы синхронного генератора (см. рис. 15.8) и проанализируем ее с этой точки зрения (рис. 15.11). Если мощность синхронного генератора Р = ω_рМ_эм и напряжение на шинах электрической системы U постоянны, то значения произведений сомножителей в (15.10)

не зависят от тока возбуждения. Однако при изменении тока возбуждения , изменяются значения создаваемого им потокосцепления с фазной обмоткой статора ψ_o и индуктированная этим потокосцеплением в фазной обмотке ЭДС Ė₀.

Из уравнения электрического состояния фазы статора (15.8) следует, что это возможно только при соответствующем изменении тока İ = İ_а + İ _р в фазной обмотке, а именно реактивной составляющей тока İ _р.

При токах возбуждения меньше (больше) некоторого граничного значения I_в < I_в.гр (Р) (I_в > I_в._гр) ток синхронного генератора имеет емкостную I_рС (индуктивную I_pL) реактивную составляющую φ < 0 (φ > 0) (рис. 15.11). Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность генератора имеет емкостный, Q_c = 3UIp_C (индуктивный, Q_L = = 3UI_pL), характер.

Если синхронный генератор подключен к электрической системе большой мощности U = const, то его эквивалентную схему замещения можно представить в виде параллельного соединения двух источников тока: источника активной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя, /I_а (М_я), и источника реактивной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя и тока возбуждения, I_р (I_в, М_д).

В частном случае, если момент первичного двигателя равен нулю (М_д = 0), то в схеме замещения фазы синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности, источник активной составляющей тока генератора отсутствует, а ток источника реактивной составляющей зависит только от тока возбуждения I_р (I_в).

Зависимость тока статора, подключенного к системе большой мощности U = const, от тока возбуждения I (I_р) при постоянном моменте первичного двигателя М_Д = const называется U-образной характеристикой синхронного генератора (рис. 15.12). При некотором малом значении тока возбуждения угол | θ | (рис. 15.10) может превысить значение π/2 и устойчивость работы синхронного генератора нарушится. Чем больше значение активной мощности синхронного генератора, тем при больших значениях тока возбуждения наступит потеря устойчивости. На рис. 15.12 граница устойчивости синхронного генератора показана штриховой линией.

Если момент первичного двигателя равен нулю: М_л = 0, то, пренебрегая всеми видами потерь, можно считать, что ток синхронного генератора является только реактивным (рис. 15.12, Р — 0):

Ток генератора в этом случае зависит линейно от тока возбуждения. Линейность зависимости I (I_в) нарушается лишь при больших значениях тока возбуждения вследствие насыщения магнитопровода машины.