Влияние тока возбуждения на режим работы синхронного генератора

Электродвижущая сила синхронной машины, работающая параллельно с сетью, может быть в фазе с напряжением сети и равна этому напряжению. В этом случае ток, протекающий в машине, равен нулю и по отношению к сети. Электродвижущую силу обмотки статора можно изменить путем изменения тока возбуждения. В обмотке статора появится некоторое нарушение равновесия, определяемое разностью ЭДС статора и напряжением сети. В обмотке потечет ток, величина которого будет зависеть от сопротивления обмотки статора

.

В этом случае машина не отдает в сеть активной мощности, так как ток будет чисто реактивным по отношению к вектору () и сдвинут по фазе относительно разности напряжений () на 90 ° (рис. 7.39, а).

 

Рис. 7.39

 

Рис. 7.40

Можно сказать, что синхронная машина перевозбуждена, когда ток статора отстает от напряжения , а в недовозбужденной машине ток опережает напряжение (рис. 7.39, б). При постоянном механическом моменте на оси машины, не равном нулю, когда электрическая мощность поставляется в сеть постоянно и не равна нулю, машина работает в режиме генератора.

Активная мощность машины в этом случае постоянна , напряжение на зажимах генератора тоже постоянно . Таким образом, - величина постоянная. При изменении тока возбуждения активная составляющая тока должна оставаться постоянной и конец вектора тока будет перемещаться по прямой , перпендикулярной (рис. 7.40). С другой стороны, - величина постоянная и является отрезком перпендикуляра, опущенного из конца вектора на направление . В этом случае конец вектора при изменении тока возбуждения переместится по прямой , параллельной напряжению и находящейся на расстоянии
от него (см. рис. 7.40).

Рис. 7.41

При изменении тока возбуждения, ток статора генератора имеет минимальное значение при , что соответствует переходу от недовозбужденного состояния к перевозбужденному. Соответствующая характеристика зависимости напоминает по форме букву и ее называют -образной характеристикой. Каждому значению мощности нагрузки соответствует своя -образная характеристика (рис. 7.41).

Значения тока возбуждения, соответствующие коэффициенту мощности (на рисунке эти значения представлены пунктирной линией) увеличиваются с увеличением мощности нагрузки. Этот факт объясняется увеличением потерь в обмотке статора и увеличением падений напряжений и .

7.12. Потери энергии и коэффициент
полезного действия синхронного генератора

Процесс преобразования механической энергии в электрическую энергию сопровождается потерями. На рис. 7.42 представлена диаграмма распределения мощности в генераторе. Часть механической мощности приводного двигателя теряется на преодоление механического момента, обусловленного силой трения в подшипниках ротора .

 

Рис. 7.42

Дополнительные виды потерь представлены на диаграмме потерями .

Кроме этого, в генераторе имеют место потери, расходуемые на возбуждение и компенсируемые возбудителем постоянного тока, находящимся, как правило, на одном валу с синхронным генератором . Обмотка возбуждения может получать питание от сети через выпрямитель, поэтому при автономной работе генератора мощность, теряемая на возбуждение, снимается с выходных зажимов генератора. Мощность, теряемая на возбуждение генератора, составляет 0, 3…1 % от его номинальной мощности, и поэтому этой мощностью иногда пренебрегают.

Очевидны потери мощности на нагревание обмоток стато-
ра . Величина этих потерь определяется сопротивлением обмоток и силой тока статора. При этом мощность потерь в проводах обмотки пропорциональна квадрату тока.

Работа генератора связана с использованием вращающегося магнитного поля. Магнитопровод статора находится, таким образом, в изменяющемся магнитном поле и перемагничивается с частотой вращения индуктора. Перемагничивание магнитопровода связано с потерями на перемагничивание и на вихревые токи . Потери на перемагничивание и на вихревые токи практически не зависят от выходной мощности.

Все потери в синхронном генераторе, как и во всех электрических машинах, могут быть разделены на постоянные потери, которые практически не зависят от нагрузки, и переменные потери, зависящие от нагрузки. Постоянные потери определяются механическими потерями, потерями на возбуждение и потерями на перемагничивание магнитопровода. К переменным потерям относят потери в меди (в обмотке статора) и дополнительные потери.

Мощность генератора зависит от коэффициента мощности нагрузки.

Коэффициент полезного действия равен отношению мощности, отдаваемой машиной в сеть, к потребляемой от приводного двигателя мощности

.

Удобно представить потребляемую генератором мощность суммой отдаваемой мощности и мощностей всех потерь машины

,

где - постоянные потери машины,

- переменные потери машины.

КПД достигает максимального значения в том случае, когда переменные потери становятся равными постоянным потерям.

На рис. 7.43 изображены кривые зависимости КПД генератора в функции выходной мощности при различных значениях .

Рис. 7.43

 

КПД современных генераторов составляет 96–97 %. Кривые КПД для проходят ниже кривой при , так как при одной и той же выходной активной полезной мощности , при том же напряжении при ток генератора должен быть большим. В этом случае переменная мощность потерь имеет большую величину и КПД имеет меньшее значение.