6.3.6. Характеристики синхронного генератора

Внешняя характеристика

Электрическая нагрузка синхронного генератора может изменяться в широких пределах в диапазоне от холостого хода (когда ток нагрузки равен нулю) до номинального режима (когда ток равен номинальному значению). Изменение величины нагрузки влияет на величину напряжения генератора. Зависимость напряжения генератора от величины тока нагрузки U(I) называется внешней характеристикой. Аналитическое выражение внешней характеристики синхронного генератора может быть записано на основании уравнения электрического состояния (6.3.6):

, (6.3.8)

или . (6.3.9)

Векторная диаграмма, соответствующая выражению (6.3.9), приведена на рис. 6.3.14.

Рис. 6.3.14. Векторная диаграмма синхронного генератора

Здесь вектор напряжения генератора направлен вертикально вверх. По отношению к нему повернут на угол φ в сторону отставания вектор тока. Это соответствует активно-индуктивному характеру приемника. Падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора опережает ток по фазе на 90⁰. ЭДС , в соответствии с уравнением электрического состояния (6.3.9), определяется суммой напряжения и падения напряжения .

Как видно из выражения (6.3.9) и из векторной диаграммы (рис. 6.3.14), с увеличением нагрузки генератора падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора увеличивается, при этом напряжение уменьшается. График внешней характеристики синхронного генератора показан на рис. 6.3.15.

Рис. 6.3.15. Внешняя характеристика синхронного генератора

Регулировочная характеристика

Для поддержания напряжения генератора на неизменном уровне необходимо увеличить ЭДС за счет увеличения магнитного потока. Для этого требуется изменить ток возбуждения. Зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении генератора называется регулировочной характеристикой. Регулировочная характеристика показана на рис. 6.3.16.

Рис. 6.3.16. Регулировочная характеристика синхронного генератора

6.37. Характеристики синхронного двигателя

Важным свойством синхронной машины является возможность регулирования ее коэффициента мощности. В синхронном двигателе это осуществляется регулированием тока возбуждения. Анализ зависимости коэффициента мощности синхронного двигателя от тока возбуждения может быть проведен на основании его уравнения электрического состояния (6.3.7), из которого следует:

, (6.3.10)

или . (6.3.11)

Векторная диаграмма, соответствующая выражению (6.3.11), показана на рис. 6.3.17. Здесь приведены векторные диаграммы для разных режимов работы при разной величине тока возбуждения и соответственно ЭДС.

а б в

Рис. 6.3.17. Векторные диаграммы синхронного двигателя

Во всех случаях вектор напряжения источника, к которому подключен синхронный двигатель, изображен направленным вертикально. Величина этого напряжения во всех режимах одна и та же и равна напряжению источника. Величина ЭДС E в разных режимах разная и определяется величиной магнитного потока, т.е. током возбуждения I_в. Падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора определяется, исходя из (6.3.11), как разность между напряжением источника и ЭДС :

. (6.3.12)

Вектор тока статора повернут под углом /2 по отношению к падению напряжения в сторону отставания, что соответствует индуктивному сопротивлению обмотки статора.

На рис. 6.3.17 а величина ЭДС E меньше напряжения U. При этом ток статора отстает по фазе от напряжения (разность фаз φ>0), синхронный двигатель проявляет себя как активно-индуктивный элемент в цепи синусоидального тока с коэффициентом мощности cosφ<1.

При увеличении тока возбуждения I_в увеличивается магнитный поток и ЭДС E. При этом разность фаз φ уменьшается, коэффициент мощности увеличивается. При определенном соотношении между ЭДС E и напряжением U разность фаз становится равной нулю (рис. 6.3.17 б), а коэффициент мощности cosφ=1.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения соотношении между ЭДС E и напряжением U оказывается таким, что ток статора опережает по фазе напряжение (разность фаз φ<0) (рис. 6.3.17 в). В этом режиме синхронный двигатель проявляет себя как активно-емкостный элемент в цепи синусоидального тока.

Режим работы синхронного двигателя при разности фаз φ>0, когда ток возбуждения недостаточен, называют режимом недовозбуждения. Режим работы при разности фаз φ<0, когда ток возбуждения избыточен, называют режимом перевозбуждения.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронного двигателя позволяет изменять его коэффициент мощности, устанавливать наиболее рациональный режим его работы с коэффициентом мощности cosφ=1.

Способность синхронного двигателя работать в режиме активно-емкостного приемника используется для компенсации реактивной мощности (повышения коэффициента мощности) крупного потребителя электроэнергии, в составе которого он работает. Иногда эта функция является основной для синхронной машины. Такая машина называется синхронный компенсатор и используется в качестве емкостного элемента большой мощности.

При изменении тока возбуждения меняется не только разность фаз между напряжением и током синхронного двигателя. Меняется также величина тока статора. При этом активная составляющая тока статора определяется активной мощностью двигателя, т.е. механической мощностью на валу, и остается неизменной. Ее величина определяется проекцией вектора тока на вектор напряжения, как показано на рис. 6.3.17 пунктирной линией. Меняется только реактивная составляющая тока. В режиме нормального возбуждения (рис. 6.3.17 б) реактивная составляющая тока статора оказывается равной нулю, величина тока статора определяется только его активной составляющей и принимает наименьшее значение. Зависимость тока статора от тока возбуждения графически показана на рис. 6.3.18. Эту зависимость называют V-образной характеристикой синхронного двигателя.

С увеличением механической нагрузки на валу двигателя увеличивается активная мощность и соответственно активная составляющая тока статора. V-образная характеристика располагается выше.

Рис. 6.3.18. V-образные характеристики синхронного двигателя