Принцип действия синхронного генератора

Синхронный генератор предназначен для преобразования вводимой через вал его ротора механической энергии в электрическую.

Для того, чтобы генератор работая устойчиво, т.е. вращаясь с постоянной скоростью wf = wс, осуществлял преобразование механической энергии в электрическую, необходимо чтобы механический момент его турбины Мт совершал работу по преодолению равного и встречно направленного ему момента М. В противном случае - при отсутствии баланса моментов Мт и М генератор будет увеличивать либо уменьшать свою кинетическую энергию (увеличивать либо уменьшать скорость wf), что чревато потерей устойчивости.

В синхронном генераторе момент М имеет электромагнитную природу, почему и получил название электромагнитного. Его появление и действие обеспечивается соответствующей конструкцией генератора, в максимальной степени учитывающей проявление открытого Ампером объективного закона природы. Согласно этому закону на проводник с током в магнитном поле действует сила, пропорциональная силе тока в проводнике, индукции магнитного поля и синусу угла между направлениями линий индукции и проводником. Направление действующей на проводник силы определяется по правилу левой руки: линии магнитной индукции должны входить в ладонь, четыре вытянутых пальца должны быть вытянуты вдоль проводника по направлению тока, тогда вытянутый большой палец будет показывать направление действия силы. В принятой модели генератора роль проводника с током выполняют расположенные вдоль оси вращения активные части обмотки возбуждения, а роль магнитного поля - поле в воздушном зазоре генератора, а точнее, его часть с индукцией Вс, определяемая работой генератора Гс. Другие же части магнитного поля с индукциями Вf и Вг при принятых допущениях исключаются из рассмотрения, так как при любом положении ротора в пространстве жестко связанные с ним активные части обмотки возбуждения всегда расположены в зоне, где индукции Вf и Вг равные нулю и следовательно не могут влиять на величину электромагнитного момента (рис.2.6). В генераторах специального назначения, где поле возбуждения создается постоянными магнитами, роль проводников с током выполняют движущиеся по орбитам в атомах ферромагнетиков электроны с неспаренными спинами.

Предположим, что в исходном режиме генератор вращается со скоростью wf = wс и его продольная ось ориентирована аналогично продольной оси dс генератора Гс (рис.3.1).

На рис.3.1 не показаны магнитные поля с индукциями Вf и Вг, как не влияющие на электромагнитный момент при принятых допущениях.

Как видно из рис.3.1 активные части обмотки возбуждения генератора Г в любой момент времени располагаются в зоне, где магнитное поле отсутствует. Поэтому на эти части не действует электромагнитная сила, следовательно на ротор генератора, в котором жестко закреплены эти части обмотки возбуждения, не действует электромагнитный момент. В этом режиме при пренебрежении потерями на трение не требуется наличия момента турбины и генератор работает как синхронный компенсатор: при токе обмотки возбуждения менее (более) определенной величины потребляет (выдает) реактивную мощность, не развивая активной мощности.

При подаче энергоносителя, например, пара в турбину генератора появляется механический момент Мт, под действием которого ротор генератора ускоряется и его скорость wf становится больше скорости wс генератора Гс. В результате активные части обмотки возбуждения генератора Г, обгоняя магнитное поле с индукцией Bс, входят в зону его действия, и на них начинает действовать тормозящая электромагнитная сила, а на ротор - электромагнитный момент М (рис.3.2).

Здесь, как и на рис.3.1, не показано магнитных индукций Вf и Вг, не участвующих в создании электромагнитного момента М; взаимное положение в пространстве роторов генераторов Г и Гс определено углом d между их продольными осями d и dс.

По мере опережения ротором генератора Г ротора генератора Гс (увеличения угла d) активные части обмотки возбуждения генератора Г входят во все более сильное поле Bс, определяя тем самым увеличение действующего на ротор генератора Г электромагнитного момента М. При определенном угле d0 моменты Mт и М выравниваются, но за счет инерции ротор генератора Г продолжает свое движение относительно ротора генератора Гс, сопровождаемое увеличением угла d. Однако при углах больших d0 электромагнитный момент М преобладает над моментом турбины Мт и ротор генератора Г тормозится относительно ротора генератора Гс. При угле dm скорости wf и wс генераторов Г и Гс выравниваются, после чего при продолжающемся торможении угол d уменьшается. При угле d0 моменты М и Мт вновь равны, но за счет инерции ротор генератора Г продолжает свое движение, сопровождаемое уменьшением угла d. Так продолжается до момента выравнивания скоростей wf и wс роторов генераторов, после чего снова начинается увеличение угла d. Налицо колебательный характер переходного процесса, который успешно завершится при занятии ротором генератора Г положения, определяемого углом d0 (рис.3.2).

Описанный характер изменения угла d в переходном процессе в предположении быстрого изменения момента Мт турбины приведен на рис.3.3.

В положении ротора генератора Г, определенном углом d0, моменты Мт и М турбины Т и генератора Г равны, равны и скорости wf и wc вращения роторов генераторов Г и Гc. Генератор Г работает устойчиво и развивает при этом пропорциональную электромагнитному моменту М активную мощность Рг, передаваемую в приемную систему С. Из проведенных рассуждений ясно, что для изменения развиваемой генератором активной мощности необходимо изменять его электромагнитный момент М, что возможно сделать только изменив момент Мт вращающей генератор Г турбины, который, в свою очередь, может быть изменен только путем изменения расхода поступающего в турбину энергоносителя (пара, воды, газа). Изменением же тока в обмотке возбуждения генератора Г можно достичь лишь изменения положения его ротора в пространстве (угла d0), ЭДС Ег, и связанной с этим реактивной мощности генератора без изменения электромагнитного момента М и следовательно развиваемой им активной мощности.

Следует заметить, что переходный процесс, связанный с изменением развиваемой генератором Г активной и/или реактивной мощности всегда сопровождается механическим перемещением его ротора по отношению к ротору генератора Гс, и поэтому носит электромеханический характер. Механические перемещения ротора существенно замедляют переходный процесс, что усложняет решение задачи повышения устойчивости генератора Г путем ускорения протекания переходного процесса с помощью систем автоматического регулирования. Это, в частности, явилось причиной того, что интенсивно разрабатываются и внедряются в практику наряду с традиционными синхронными и асинхронизированные турбогенераторы, в которых за счет наличия дополнительной обмотки возбуждения на роторе удается обеспечивать протекание переходных процессов без механического перемещения ротора, т.е. носящих сугубо электромагнитный характер.