Нагрузка генератора, включенного на параллельную работу

Обычно совместно на одну сеть работают несколько синхрон­ных генераторов и мощность любого из них намного меньше сум­марной мощности всех остальных генераторов. Будем считать, что синхронный генератор подключают на параллельную работу с другими генераторами, суммарная мощность которых настолько

Рис. 21.3. Векторные диаграммы синхронного генератора, включен­ного на параллельную работу в сеть большой мощности

велика по сравнению с мощностью подключаемого генератора, что при любых изменениях парамет­ров этого генератора напряжение сети U_с и ее частота f _c остаются неизменными.

После подключения генератора в сеть при соблюдении всех усло­вий синхронизации его ЭДС Е₀ равна по значению и противопо­ложна по фазе напряжению сети (рис. 21.3, а), поэтому ток в цепи генератора равен нулю, т. е. гене­ратор работает без нагрузки. Механическая мощность привод­ного двигателя P₁ в этом случае полностью затрачивается на по­крытие потерь х. х.: Р₀ = Р_мех + + Р_м1+Р_в+Р_п.

Отсутствие тока в обмотке статора синхронного генератора (I₁==0) приводит к тому, что обмотка статора не создает вращаю­щегося магнитного поля и в генераторе действует лишь магнит­ное поле возбуждения, вращающееся вместе с ротором с угло­вой частотой ω_г, но не создающее электромагнитного момента.

Если же увеличить вращающий момент приводного двигателя M₁, то ротор машины, получив некоторое ускорение, сместится относительно своего первоначального положения на угол θ в на­правлении вращения. На такой же угол θ окажется сдвинутым вектор ЭДС генератора Ё₀ относительно своего положения, соот­ветствующего режиму х.х. генератора (рис. 21.3,6). В результате в цепи статора появится результирующая ЭДС ΔЁ=Ёо+Uc, которая создаст в цепи обмотки статора генератора ток I₁.

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора и считать сопротивление этой обмотки чисто индуктивным, то ток I₁ отстает по фазе от ΔЁ на угол 90° (рис. 21.3, б) и отстает по фазе от ЭДС Е₀ на угол ψ₁

Ток I₁ создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором и создающее вместе с полем ротора результирующее магнитное поле синхронной машины. Ось этого результирующего поля d' — d' не совпадает с продольной осью полюсов ротора d — d: в синхронном генераторе ось полюсов ротора d — d опере­жает ось результирующего поля машины d' — d' на угол θ (рис.21.4 а).

Известно, что разноименные магнитные полюсы взаимно притягиваются, поэтому между намагниченными полюсами рото­ра и неявно выраженными полюсами вращающегося поля статора возникают силы магнитного притяжения Fм (рис. 21.4, б). Вектор этой силы на каждом полюсе ротора, направленный под углом 0 к оси полюса, имеет две составляющие: Fn = Fм cosθ— нормаль­ная составляющая, направленная по оси полюсов, и Ft =.Fмsinθ — тангенциальная составляющая, направленная перпендикулярно оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляю­щих Ft на всех полюсах ротора создает на роторе синхронного генератора электромагнитный момент, направленный встречно вращающемуся магнитному полю:

М = Ft2p(D2/2) — Fм D2p sinθ, (21.1)

где D2 — диаметр ротора.

Из полученного выражения следует, что электромагнитный момент синхронной машины является синусоидальной функцией угла θ и может быть представлен выражением

M = Mmaxsinθ, (21.2)

где Мmax — максимальное значение электромагнитного момента, соответствующее значению угла θ=90 эл. град.

Электромагнитный момент М, возникающий на роторе генера­тора, направлен встречно вращающему моменту приводного дви­гателя M₁, т. е. он является тормозящим моментом. На преодо­ление этого момента затрачивается часть мощности приводного двигателя, которая представляет собой электромагнитную мощ­ность

Р_эм=Мω₁ (21.3)

где ω₁— угловая частота вращения ротора.

Таким образом, с появлением тока I₁ в обмотке статора син­хронного генератора, работающего параллельно с сетью, гене­ратор получает электрическую нагрузку, а приводной двигатель (турбина, дизельный двигатель и т. п.) получает дополнительную механическую нагрузку. При этом механическая мощность при­водного двигателя P₁ расходуется не только на покрытие потерь х. х. генератора Р₀, но и частично преобразуется в электромаг­нитную мощность генератора Р_эм, т. е.

P₁=P₀+P_эм (21.4)

Следовательно, электромагнитная мощность синхронного ге­нератора представляет собой электрическую активную мощность, преобразованную из части механической мощности приводного двигателя:

Р_эм = P₁— P₀.

Что же касается активной мощности на выходе синхронного генератора Р₂, отдаваемой генератором в сеть, т. е.

Р₂ = m₁U₁I₁cosφ₁• 10^-3,

то она меньше электромагнитной мощности Р_эм на значение, рав­ное сумме электрических потерь в обмотке статора P_э1 = m₁I₁²r_n и добавочных потерь Р_доб при нагрузке:

Р₂ = Р_эм - (Р_э1+Р_доб). (21.5)

Следовательно, мощность на выходе синхронного генератора Р₂ (активная нагрузка) при его параллельной работе с сетью регулируется изменением вращающего момента M₁ приводного двигателя:

P₂ = P₁ – ∑P = m₁ω₁ – ∑P,

где ω₁= 2π f ₁/p = const — угловая синхронная скорость вращения ротора синхронной машины, рад/с.

Если все слагаемые уравнения (21.4) разделить на угловую частоту P₁/ω₁ = P₀/ω₁ Р_эм/ω₁, то получим уравнение моментов

М₁= М₀ + М. (21.6)

Из этого уравнения следует, что вращающий момент М1, раз­виваемый приводным двигателем на валу генератора, равен сумме противодействующих моментов: момента х. х. М₀, обуслов­ленного потерями х. х. P₀, и электромагнитного момента М, обус­ловленного нагрузкой генератора.

Момент х.х. М₀ для данного генератора постоянен (М₀ = const), поэтому нагрузка синхронного генератора возможна лишь за счет вращающего момента приводного двигателя, когда его значение превышает момент х.х., т.е. при М₁ > М₀