§ 101. Работа синхронного генератора в общей мощной сети

Наиболее часто синхронные генераторы работают на общую мощную сеть электростанции или энергосистемы. Напряжение такой сети U_c и частота тока в ней неизменны. Напряжение на зажимах генератора равно и противоположно напряжению сети.

Результирующее магнитное поле Φ_p статора, вращающееся с числом оборотов в пространстве, опережает напряжение U_г на 90° (рис. 132).

При постоянном напряжении сети U_c амплитуда магнитного потока Φ_p результирующего магнитного поля статора также неизменна. При активной нагрузке генератора ток статора I совпадает по фазе с напряжением U_г. Поток реакции якоря Φ_я совпадает по фазе с током I, так что вектор тока в статоре в другом масштабе определит вектор Φ_я. Результирующий магнитный поток создается действием потока полюсов Φ_m и потока реакции якоря Φ_я и может быть представлен геометрической суммой этих магнитных потоков.
Изменение тока возбуждения генератора не вызывает изменения его активной мощности, так как мощность, потребляемая им от первичного двигателя, остается неизменной (вращающий момент первичного двигателя и скорость вращения постоянны). Поэтому, активная составляющая тока статора постоянна и конец вектора тока I (Φ_я) находится на прямой АВ, параллельной горизонтальной оси. Если увеличить ток возбуждения, то возрастет поток полюсов Φ′_m, вектор которого находится между прямой АВ и концом неизменного вектора Φ_p.
Таким образом, изменятся как по величине, так и по направлению векторы тока статора и потока реакции якоря (I′ и Φ_я). Таким образом, ток окажется отстающим по фазе от напряжения.
При уменьшении тока возбуждения уменьшится также и поток полюсов Φ″_m, что приведет к изменению тока в статоре I″ (Φ″_я) как по величине, так и по фазе. Таким образом, изменение тока возбуждения генератора, работающего на мощную сеть, вызывает изменение реактивной составляющей тока в статоре, т. е. изменяется реактивная мощность, вырабатываемая генератором.
Для изменения активной мощности необходимо изменить вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора. Под действием вращающего момента первичного двигателя M₁ ротор машины с помещенными на нем полюсами приводится во вращение с числом оборотов в минуту n. Результирующее поле статора вращается в том же направлении с числом оборотов n₁ = n (рис. 133, а). Таким образом, поле полюсов и результирующее поле статора вращаются синхронно, оставаясь неподвижными друг относительно друга, и между полями устанавливается взаимодействие. Магнитные линии, растягиваясь, стремятся приблизить поле ротора к полю статора, создавая электромагнитный тормозной момент M_э, уравновешивающий момент первичного двигателя.

При равновесии моментов M₁ = M_э угол между осями магнитных полей θ остается неизменным.
Если увеличить момент первичного двигателя М′₁ (рис. 133, б), то он окажется больше тормозного, и ротор, получив некоторое ускорение, начнет перемещаться относительно поля статора, вращающегося с постоянной скоростью

(частота тока в сети f постоянна).

При этом угол между осями магнитных полей ротора и статора θ₁ увеличивается и магнитные линии, растягиваясь в большей степени, увеличат тормозной электромагнитный момент M′_э, так что вновь восстановится равновесие моментов, т. е. M′₁ = M′_э.
На векторной диаграмме (рис. 134) изображен вектор магнитного потока, результирующего поля статора Φ_p, являющийся геометрической суммой векторов потока полюсов Φ_m и потока реакции якоря Φ_я. Угол между векторами Φ_m и Φ_p равен θ. При увеличении момента первичного двигателя M₁ увеличится угол θ′, так что вектор Φ′_m, неизменный по величине, повернется относительно неподвижного вектора Φ_p. При этом увеличится как активная составляющая тока статора, так и мощность, отдаваемая генератором в сеть. Уменьшение момента первичного двигателя вызывает уменьшение угла θ″. При этом понизятся ток в статоре I′ и мощность, вырабатываемая генератором.

Для включения генератора в сеть необходимо:
1) одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;
2) равенство напряжения сети и э. д. с. генератора;
3) равенство частот э. д. с. генератора и тока в сети;
4) включать генератор в тот момент, когда э. д. с. генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.
Невыполнение этих условий ведет к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и опасными для генератора. При включении генераторов в сеть используются специальные устройства — синхроноскопы. Простейшим синхроноскопом являются три лампы накаливания (рис. 135), включаемые между зажимами генератора и сети. Лампы должны быть рассчитаны на двойное напряжение сети и до включения генератора должны одновременно загораться и погасать. Такое включение ламп называется «на потухание».

В момент, когда э. д. с. генератора равна и направлена встречно напряжению сети, лампы погаснут, так как напряжение на лампе равно нулю. При погасании лампы путем замыкания рубильника генератор включается в сеть.
До включения генератора в сеть э. д. с. его измеряется вольтметром. Регулированием тока возбуждения э. д. с. устанавливается равной напряжению сети. Частота э. д. с. генератора зависит от скорости вращения первичного двигателя.