62. Векторные диаграммы синхронного генератора

Построение векторной диаграммы можно начать с вектора ЭДС Е₀ (рис. 60а). Зная, что к генератору подключена, например, активно‑индуктивная нагрузка, под углом ψ к вектору ЭДС Е₀ откладываем вектор тока I. Под углом φ к вектору тока I следует провести линию ОА, на которой в дальнейшем будет расположен вектор напряжения генератора U. Так как ток I должен отставать по фазе на 90° от индуктивного падения напряжения jIx_c, то из конца вектора ЭДС Е₀ следует опустить перпендикуляр БВ на вектор тока.

Точка Г определит конец и начало векторов напряжения U и падения напряжения jIxc. Cумма векторов напряжения U и падения напряжения jIx_c должна быть равна вектору ЭДС Е₀.

Рис. 60. Векторные диаграммы синхронного генератора

Учитывая, что постоянные по значению вращающиеся магнитные потоки могут быть заменены эквивалентными пульсирующими потоками, изменяющимися во времени по синусоидальному закону, на векторной диаграмме (рис. 60а) можно изобразить векторы потоков Ф₀ и Ф_я1, а также вектор результирующего потока Ф, сцепленного с обмоткой якоря:

U= E₀ + jIx_c = E₀ + Е_я1.

ЭДС Е₀ и Е_я1, индуктируемые потоками Ф₀ и Ф_я1, можно заменить эквивалентной ЭДС якоря E, индуктируемой результирующим потоком Ф, U = E– E₀ + Е_я1.

Так как ЭДС пропорциональны соответствующим магнитным потокам, то вместо последнего выражения можно написать:

Ф = Ф₀ + Ф_я1.

На рисунке 60а произведено построение вектора результирующего потока Ф. Как видно, все ЭДС отстают от соответствующих потоков на 90°. Магнитный поток Ф_я1 совпадает по фазе с возбуждающим его током I.

Из подобия треугольников ОБГ и ОДЖ (рис. 60а) вытекает, что ЭДС E₀ сдвинута по фазе относительно напряжения U на такой же угол θ, на какой магнитный поток Ф₀ сдвинут по фазе относительно потока Ф. Тот же угол θ при данной нагрузке генератора существует и между пространственными векторами МДС F₀ и F (рис. 60б), а значит, и между осями магнитных потоков Ф₀ и Ф генератора.

Рассмотренная диаграмма (рис. 60а) соответствует активно‑индуктивной нагрузке. На рисунках 60в и 60г приведены диаграммы, построенные для тех же ЭДС Е₀ и тока I, что и на рисунке 60а, но для активной и активно‑емкостной нагрузок. Диаграмма, изображенная на рисунке 60д, соответствует работе генератора вхолостую.

63. Основные характеристики синхронного генератора

Для оценки свойств синхронных генераторов используют те же характеристики, что и для генераторов постоянного тока. Только условия, при которых определяются внешняя и регулировочная характеристики, несколько дополняются.

Характеристика холостого хода. Основной магнитный поток синхронного генератора является функцией тока возбуждения, т. е. Ф₀(I_B):

Рис. 61. Внешние характеристики синхронного генератора

Рис. 62. Регулировочные характеристики синхронного генератора

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U(I) определяется при следующих условиях:

n = const и I_B = const.

Так как напряжение синхронного генератора зависит при прочих равных условиях еще и от характера нагрузки, то дополнительным условием, при котором следует определять внешнюю характеристику синхронного генератора, должно быть постоянство коэффициента мощности, т. е. cos φ = const.

Внешние характеристики синхронного генератора при активной (φ = 0), активно‑индуктивной (φ > 0) и активно‑емкостной (φ < 0) нагрузках приведены на рисунке 61.

Относительное изменение напряжения генератора оценивают по формуле:

где U_x – напряжение генератора при холостом ходе (I = 0), равное ЭДС;

U_ном – напряжение при номинальной нагрузке (I = I_ном).

В случае наиболее часто встречающейся активно‑индуктивной нагрузки при cos φ ≈ 0,8 относительное изменение напряжения Δ_uном у некоторых генераторов доходит до 35–45 %.

Поскольку напряжение синхронного генератора изменяется при изменении нагрузки в значительных пределах, необходимо принимать меры для уменьшения изменения напряжения. Этого можно добиться за счет соответствующего изменения ЭДС генератора Е₀ путем воздействия на его ток возбуждения I_B. О том, как и в каких пределах необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки генератора, чтобы поддерживать U = const, и дают представление регулировочные характеристики (рис. 62).

Дополнительным условием, при котором должна определяться каждая из характеристик (кроме n = const), является cos φ = const.

Для нормальных условий работы приемников электрической энергии необходимо поддерживать напряжение и частоту синхронного генератора на заданных уровнях. Для этого синхронные генераторы снабжаются в большинстве случаев регуляторами, управляющими напряжением и частотой вращения генераторов и воздействующими на ток возбуждения генераторов и момент первичного двигателя.