Изменение активной мощности. Режимы генератора и двигателя.

Из сказанного выше следует, что изменение тока возбуждения не вызывает появления активной нагрузки или ее изменения. Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить движущий механический вращающий момент на ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.

Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора, а следовательно, и вектор э. д. с. генератора Ё з-абегут вперед на

некоторый угол 8 (рис. 35-5, в). При этом возникнет ток / [см. равенство (35-2)], отстающий, как и ранее, от АО = Ё — О на 90°. Но, как следует из рис. 35-5, в, в данном случае — 90° < ф < 90^е и

т. е. машина отдает в сеть активную мощность.

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э. д. с. Ё отстанет от О на некоторый угол 9, ток / будет отставать от О на угол 90° < Ф < 270°. При этом мощность машины Р = mUI cos ф<0 и машина будет работать в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети (рис. 35-5, г).

а) в$=о

Рис. 35-6. Характер магнитного поля в воздушном зазоре при работе синхронной машины на холостом ходу (о), в режиме генератора (б)

и двигателя (е)

Как следует из рис. 35-5, в и г, у генератора вектор О отстает от вектора Ё, а у двигателя — наоборот. Угол нагрузки е в первом случае будем считать положительным, а во втором — отрицательным.

Характер магнитного поля в зазоре между статором и ротором в режимах генератора и двигателя изображен на рис. 35-6. У генератора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверхности статора на угол бе (см. рис. 33-1 и 33-4) вперед, по направлению вращения (8е>0). а у двигателя — против направления вращения (8б<0). Угол 9 s можно назвать внутренним углом нагрузки. Образование электромагнитного вращающего момента М и направление его действия согласно рис. 35-6 можно объяснить также тяжением магнитных линий.

Преобразование энергии в синхронных машинах нормальной конструкции, с вращающимся индуктором и возбудителем на общем валу, иллюстрируется энергетическими диаграммами рис. 35-7, где р_мх — механические потери, р_в — потери на возбуждение синхронной машины, включая потери в возбудителе, р_д — добавочные потери от высших гармоник поля в стали статора и ротора, р_мг — основные магнитные потери и р_эл — электрические потери в обмотке якоря. Для генератора Р_х — потребляемая с вала механиче-

екая мощность и Р₂ — отдаваемая в сеть электрическая мощность, а для двигателя Р_х — потребляемая из сети электрическая мощность и Р₂ — развиваемая на валу механическая мощность. Электромагнитная мощность Р_т передается с помощью магнитного поля с ротора на статор в режиме генератора и в обратном направлении — в режиме двигателя. Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механические потери возбудителя включаются в потери р_мХ.

Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тормозящего механического момента на валу синхронная машина обладает свойствами саморегулирования и способностью до известных пределов сохранять синхронизм с сетью, т. е. синхронное вращение с другими синхронными машинами, приклочен-ными к этой сети. Например, при приложении к валу положительного вращающего момента М„ ротор будет ускоряться и угол нагрузки будет расти от нуля (рис. 35-5, в). Вместе с тем машина начинает нагружаться активной мощностью Р и развивать тормозящий электромагнитный момент М. При этом величины 6, Р и М будут расти до тех пор, пока не наступит равновесие моментов М_СТ = М на валу. Одновременно" с этим восстановится также баланс между потребляемой с вала механической мощностью, отдаваемой в сеть электрической мощностью и потерями в машине. В случае приложения к валу тормозящего момента М_ст (рис. 35-5, г) угол 6 будет расти по абсолютной величине также до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов на валу и баланс мощностей.

Все изложенное выше действительно также для явнополюсной машины с той лишь разницей, что диаграммы рис. 35-5,-б и г будут несколько сложнее.

На рис. 35-5, в и г Е = U. Как видно из этих рисунков, при этом ток / будет иметь также некоторую реактивную составляющую. Если изменить ток возбуждения так, что будет Е 55 U, то при сохранении активной мощности это вызовет изменение реактивного тока и реактивной мощности (см., например, рис. 33-1, 33-2 и 33-4).

Параллельная работа синхронных генераторов на сеть ограниченной мощности. В ряде случаев мощность отдельного генератора составляет значительную часть мощности всех генераторов системы. В других случаях станция с несколькими генераторами соединена с мощной системой через длинную линию передачи. Хотя в этих условиях установленные выше общие положения также сохраняются в силе, однако при этом изменение режима работы одного генератора оказывает все же заметное влияние на режим работы других генераторов.

Для выяснения особенностей параллельной работы в этих условиях допустим, что параллельно на общую сеть работают два генератора одинаковой мощности, снабжая электроэнергией группу потребителей (см. рис. 35-2). Если, например, увеличить одновременно токи возбуждения i_fl, i_j2 этих генераторов, то напряжение U обоих генераторов и всей сети возрастет. При увеличении U в общем случае возрастет также реактивная мощность потребителей, например асинхронных двигателей. При i_fl = ij₂ эта мощность распределится поровну между обоими генераторами.

Если увеличить только ij_x, то U также возрастет, но в меньшей степени. В то же время реактивная мощность генератора Г1 увеличится, а генератора Г2 — уменьшится. При увеличении i^ для сохранения U = const ток i_f% другого генератора нужно уменьшить. При этом реактивная мощность генератора П возрастет, а генератора Г2 — уменьшится.

Таким образом, в системе ограниченной мощности для повышения напряжения сети необходимо увеличивать токи возбуждения всех генераторов, а для перераспределения общей реактивной мощности между отдельными генераторами при U = const нужно токи возбуждения одних генераторов увеличивать, а других — уменьшать.

Если увеличить вращающие моменты или мощности первичных двигателей всех генераторов в системе ограниченной мощности, то скорость вращения этих двигателей и частота сети будут возрастать. При этом повысится также мощность потребителей, например, в результате повышения скорости вращения асинхронных двигателей. Повышение частоты будет происходить до тех пор, пока не наступит баланс мощностей между первичными двигателями и потребителями с учетом потерь в генераторах и сети. Для сохранения / = const при увеличении мощности первичного двигателя одного генератора мощность первичного двигателя второго нужно уменьшить. При этом происходит перераспределение активных мощностей.

При недостатке генерируемой активной мощности в системе частота / будет падать, что нарушит нормальное энергоснабжение потребителей. При недостатке генерируемой реактивной мощности

в системе (невозможность поддерживать на необходимом уровне реактивную мощность генераторов электростанций и синхронных компенсаторов во избежание перегрузки их током) напряжение системы будет падать, при определенных условиях даже катастрофически (так называемая лавина напряжения). Поэтому сохранение баланса реактивных мощностей в системе не менее важно, чем сохранение баланса активных мощностей.

§ 35-3. Угловые характеристики мощности синхронных машин