Угловая характеристика генератора. Принцип регулирования реактивной мощности генератора.

Часто работу генератора удобно анализировать, если его активная и реактивная мощности выражены не через угол между векторами тока и напряжения φ, а через угол δ - угол между вращаемым ротором и вращающимся магнитным полем статора. На векторной диаграмме генератора это будет угол между векторами фазной ЭДС возбуждения и соответствующим фазным напряжением.

Интересующие нас зависимости Р и Q от δ получим на основе простейшей схемы замещения неявнополюсного турбогенератора, работающего на сеть (Рис.5.6а) и его векторной диаграммы (Рис.5.6б), построенной для одной фазы.При этом генератор будем представлять только его фазной ЭДС возбуждения E_f и индуктивным синхронным сопротивлением по продольной оси X_d, которым генератор характеризуется в установившихся режимах работы. В силу высокого КПД генератора активным сопротивлением статора в нашем случае пренебрежем.

Рис. 5.6.Схема замещения и векторная диаграмма турбогенератора, работающего на сеть.

Диаграмма на Рис.5.6б построена в предположении, что в обмотке статора протекает ток I и вызывает в обмотке статора падение напряжения Ix_d, а на зажимах генератора присутствует напряжение U.

Для активной мощности Р_Ф одной фазы можно записать:

. (5.12)

Для реактивной мощности Q_Ф одной фазы:

. (5.13)

Для получения полной активной и реактивной мощностей генератора выражения (5.12) и (5.13) надо умножить на 3, по числу фаз. Для Р получим ряд выражений:

, (5.14)

где U_Л – линейное напряжение на зажимах генератора.

Аналогично для полной реактивной мощности генератора Q:

. (5.15)

Зависимость (5.14) во всем диапазоне углов δ называется угловой характеристикой активной мощности синхронной машины и для неявнополюсной машины имеет вид синусоиды. Будем считать, что если Р>0, т.е. при 0<δ<π, то это режим синхронного генератора, а если Р<0, т.е. при –π<δ<0, - режим синхронного двигателя. Нас будет интересовать случай Р>0, т.к. мы говорим о синхронном генераторе.

Рис.5.7. Зависимости Р=f(δ) и Q=f(δ) для турбогенератора при заданных напряжении статора U и токе возбуждения I_f.

На рис.5.7 приведены зависимости P=f(δ) и Q=f(δ), здесь же показано, что к генератору поступает мощность от турбины Р_Т, представленная прямой линией, так как мощность турбины не зависит от угла δ.

Как было рассмотрено ранее, активная мощность, отдаваемая генератором в сеть, без учета потерь в самом генераторе, должна равняться мощности поступающей от турбины. Из рис.5.7 видно, такое равенство может наступить в двух точках: а и b, которым соответствует два значения угла: δ_а и δ_b.

В какой из точек равновесия а или b может работать генератор, определяется таким понятием как статическая устойчивость.

Под статической устойчивостью понимают способность системы самостоятельно восстановить исходный режим работы при малом возмущении.

При работе в точке а (рис. 5.7), мощности генератора и турбины уравновешивают друг друга. Если допустить, что угол δ_а получает небольшое приращение Δδ, то мощность генератора, следуя синусоидальной зависимости от угла, так же изменится на некоторую величину ΔР, причем, как вытекает из рис. 5.7, в точке а положительному приращению угла Δδ соответствует также положительное изменение мощности генератора ΔР. Что же касается мощности турбины, то она не зависит от угла δ и при любых изменениях последнего остается постоянной и равной Р_Т. В результате изменения мощности генератора равновесие моментов турбины и генератора оказывается нарушенным и на валу машины возникает избыточный момент тормозящего характера, поскольку тормозящий момент генератора в силу положительного изменения мощности ΔР преобладает над вращающим моментом турбины.

Под влиянием тормозящего момента ротор генератора начинает замедляться, что обусловливает перемещение связанного с ротором вектора ЭДС генератора E_f в сторону уменьшения угла δ. В результате уменьшения угла вновь восстанавливается исходный режим работы в точке a и, следовательно, этот режим должен быть признан устойчивым. К тому же выводу можно прийти и при отрицательном приращении угла Δδ в точке a.

Совершенно иной получается картина в точке b. Здесь положительное приращение угла Δδ сопровождается не положительным, а отрицательным изменением мощности генератора ΔP. Изменение мощности генератора вызывает появление избыточного момента ускоряющего характера, под влиянием которого угол δ не уменьшается, а возрастает. С ростом угла мощность генератора продолжает падать, что обусловливает дальнейшее увеличение угла и т. д. Процесс сопровождается непрерывным перемещением вектора ЭДС E_f относительно вектора напряжения приемной системы U и генератор выпадает из синхронизма. Таким образом, режим работы в точке b статически неустойчив и практически неосуществим.

Итак, точка а и любая другая точка на возрастающей части синусоидальной характеристики мощности отвечают статически устойчивым режимам и, наоборот, все точки падающей части характеристики — статически неустойчивым.

В области углов δ<90^о возможна устойчивая установившаяся работа генератора. Критическим с точки зрения устойчивости является значение угла δ=90^о, когда достигается максимум характеристики мощности.

Максимум характеристики мощности (5.14) представляется выражением и определяет теоретически допустимую величину активной мощности, которую может передавать генератор без потери устойчивости, поэтому его называют пределом статической устойчивости. В реальной практике максимальная мощность, отдаваемая генератором должна быть значительно ниже P_m, чтобы иметь запас по статической устойчивости. При превышении этой величины мощностью турбины Р_Т генератор переходит в область неустойчивой работы и его ротор начнет вращаться несинхронно с остальными генераторами системы, всё время ускоряясь, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Величину Р_m можно изменять, изменяя только ЭДС возбуждения E_f, т.к. X_d зависит от конструкции генератора и для данного генератора является константой, а U_Л обычно поддерживают неизменным равным номинальному напряжению генератора U_Н. В свою очередь, E_f изменяют изменяя ток возбуждения I_f, наибольшая величина E_f достигается при номинальном токе возбуждения I_fН. т.к. дальнейшее повышение тока возбуждения перегреет ротор.

Кривая зависимости реактивной мощности от угла δ Q=f(δ) согласно (5.15) представляет собой смещенную вниз по оси ординат на величину косинусоиду с амплитудой . Смещение можно считать неизменным, т. к. U_Л поддерживают равным U_Н. Возможная реактивная мощность генератора определяется кривой Q=f(δ) в диапазоне углов δ от 0 до π/2. Конкретная реактивная мощность при заданном токе возбуждения определяется тем углом δ_а, с которым работает генератор, а он определяется активной мощностью, отдаваемой генератором при заданном токе возбуждения. На рис.5.7 это будет реактивная мощность Q. При изменении угла δ_а реактивная мощность может быть как положительная (генератор отдаёт реактивную энергию в сеть), так и отрицательная (генератор получает реактивную энергию для своей работы из сети) при снижении тока возбуждения ниже некоторой величины. Наибольшая по величине отдаваемая реактивная мощность будет при δ_а=0, когда генератор не несет активной нагрузки, она будет равна . В этом случае генератор становится генератором реактивной мощности. Теоретически наибольшая потребляемая реактивная мощность будет при δ_а=π/2 (при бо^/льших углах δ не возможна устойчивая работа генератора) и будет равна . Чтобы изменить реактивную мощность генератора при заданной активной, необходимо изменить ток возбуждения. ( При этом изменится угол δ_а и амплитуда косинусоиды в выражении реактивной мощности, всё это вместе изменит реактивную мощность генератора.)

При уменьшении реактивной мощности будет уменьшаться предел передаваемой мощности, поэтому необходимо следить, чтобы оставался достаточный запас по статической устойчивости.