2. Изменение активной «р». 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 Ė забегут вперед на некоторый угол θ (рис.17,в). При этом возникнет ток İ [см. равенство İ=(Ė-Ù)/jx_d=ΔÙ/jx_d], отстающий, как и ранее, от ΔÙ=Ė-Ù на 90°. Но, как следует из рис.17,в, в данном случае -90°<φ<90° и P=mUIcosφ >0, т. е. машина отдаёт в сеть активную мощность.

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э. д. с. Ė отстанет от Ù на некоторый угол θ, ток İ будет отставать от Ù на угол 90°<φ<270°. При этом мощность машины Р=mUI·cosφ < 0 и машина будет работать в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети (рис. 17, г).

Рис.17,2 Характер магнитного поля в воздушном зазоре при работе СМ на х.х. (а), в режиме генератора (б) и двигателя (в).

Как следует из рис.17,в и г, у генератора вектор Ù отстает от вектора Ė, а у двигателя — наоборот. Угол нагрузки θ 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.17,2. У генератора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверхности статора на угол θ_δ вперед, по направлению вращения (θ_δ>0), а у двигателя — против направления вращения (θ_δ<0). Угол θ_δ можно назвать внутренним углом нагрузки. Образование электромагнитного вращающего момента М и направление его действия согласно рис.17,2 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.17,3), где р_МХ — механические потери, р_B — 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 Р₁ — потребляемая с вала механическая мощность и Р₂ — отдаваемая в сеть электрическая мощность, а для двигателя Р₁ — потребляемая из сети электрическая мощность и Р₂ — развиваемая на валу механическая мощность. Электромагнитная мощность Рэм 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 - p_MХ. Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тормозящего механического момента на валу СМ обладает свойствами саморегулирования и способностью до известных пределов сохранять синхронизм с сетью, т.е. синхронное вращение с другими синхронными машинами, подключенными к этой сети. Например, при приложении к валу положительного вращающего момента Мст ротор будет ускоряться, и угол нагрузки будет расти от нуля (рис.17, в). Вместе с тем машина начинает нагружаться активной мощностью Р и развивать тормозящий электромагнитный момент М. При этом величины θ, Р и М будут расти до тех пор, пока не наступит равновесие моментов M_СТ=M 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 Мст (рис.17,г) угол θ 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.17,в и г будут несколько сложнее.

На рис.17,в и г Е=U. Как видно из этих рисунков, при этом ток I будет иметь также некоторую реактивную составляющую. Если изменить ток возбуждения так, что будет Е≈U, то при сохранении активной мощности это вызовет изменение реактивного тока и реактивной мощности.

Рис. 17,3. Энергетические диаграммы синхронного генератора (а) и двигателя (б)