7. Синхронные машины

буждения еще больше. При активной нагрузке (cos φ = 1) размагничивающая продольная реакция якоря слабее и требуется меньшее увеличение тока возбуждения.

В случае активно-емкостной нагрузки (φ < 0, на рис. 7.18) при малых токах якоря необходимо уменьшать ток возбуждения, так как продольная МДС якоря Fad усиливает магнитное поле машины. С возрастанием актив- но-емкостной нагрузки вследствие насыщения магнитной цепи МДС якоря оказывает размагничивающее действие и необходимо увеличивать ток возбуждения, чтобы напряжение U было неизменным.

I* f

			cosϕ = 0
2,0			cosϕ = 0,8
	ϕ > 0		cosϕ =1
1,0
	ϕ < 0		cosϕ = 0,8
		cosϕ = 0
0			I *
		0,5	1,0

Рис. 7.18. Регулировочные характеристики синхронного генератора

При емкостной нагрузке (φ = –90º, cos φ = 0) необходимо уменьшать ток возбуждения If с ростом тока якоря I, поскольку МДС якоря продольно намагничивающая.

7.7. Потери мощности и КПД синхронного генератора

Особенности преобразования энергии в синхронном генераторе и связанные с этим потери мощности можно наглядно представить энергетической диаграммой (рис. 7.19).

К валу генератора от турбины или приводного двигателя подводится

механическая мощность
P1 = ΩM1 ,	(7.69)

308

7. Синхронные машины

где Ω – угловая механическая скорость вращения ротора, равная угловой скорости вращения Ω1 магнитного поля машины; М1 – механический вращающий момент приводного двигателя, направленный в сторону вращения.

Часть этой мощности расходуется на приведение в движение якоря генератора-возбудителя, находящегося на валу генератора и имеющего КПД ηf. Эта мощность выделяется в виде тепла в возбудителе и называется потерями мощности на возбуждение

P1

Pмх=P

рf

δ рмх

рд

Pэл

рм

P2 рэ

Рис. 7.19. Энергетическая диаграмма синхронного генератора

p f	=	U f I f	,	(7.70)
		ηf

где U f – напряжение возбуждения; I f – ток возбуждения; η f − КПД возбудителя.

Ток возбуждения I f в генераторном режиме либо остается неизменным (см. условия снятия внешней характеристики), либо меняется в небольших пределах. Поэтому обычно считают I f , а следовательно, и рf постоянными, не зависящими от нагрузки генератора.

Механическая мощность Рмх, преобразуемая электромагнитным путем, меньше мощности, сообщаемой ротору, на величину механических потерь на вентиляцию машины и трение в подшипниках, ротора об охлаждающий газ, щеток о контактные кольца. Механические потери в общем

виде зависят от частоты вращения ротора
p	мх	= C nα,	(7.71)
		1

где α = 2–3 – постоянный коэффициент, определяемый схемой вентиляции машины и другими факторами; С1 − постоянный коэффициент.

Частота вращения ротора n в установившихся режимах работы постоянна и механические потери не зависят от нагрузки генератора.

Как выяснено во второй и третьей главах пособия, кроме основных потерь в любой машине существуют добавочные потери мощности рд. В синхронном генераторе они обусловлены магнитными полями рассеяния обмоток, высшими гармоническими магнитного поля в зазоре, наличием

309

7. Синхронные машины

пазов на статоре и роторе машины и технологическими погрешностями изготовления.

В большинстве синхронных машин добавочные потери невелики (рд ≤ 0,005Р1Н) и при расчетах КПД часто принимают рд = 0.

Таким образом, преобразуемая в электромагнитную часть механической мощности

Ρмх = Ρ1 − p f − pмх − pд

(7.72)

передается вращающимся магнитным полем машины через зазор δ на статор генератора. Эта часть мощности называется электромагнитной мощ-

ностью Р = Рмх.

Часть электромагнитной мощности расходуется на магнитные потери мощности рм, состоящие из потерь на гистерезис (перемагничивание) рг и на вихревые токи рвх:

pм = pвх + pг = kpудG(f1/f1н )1,3Β2 ,

(7.73)

где k – постоянный коэффициент, учитывающий форму магнитопровода; pуд – удельные магнитные потери; G – масса магнитопровода; В – индукция магнитного поля в магнитопроводе статора.

В синхронных машинах, включенных в сеть, результирующий магнитный поток Фr мало зависит от нагрузки и индукцию В можно считать постоянной. Постоянна и частота f1 перемагничивания магнитопровода статора. Поэтому магнитные потери рм также не зависят от нагрузки генератора. Остальная часть электромагнитной мощности представляет собой электрическую мощность, поступающую в обмотку якоря,

Ρэл = Ρ − pм.

(7.74)

Часть этой мощности расходуется на покрытие потерь в материале обмотки якоря. Это электрические потери мощности в обмотке якоря

pэ = mrΙ2 ,

(7.75)

где m – число фаз якоря; r – активное сопротивление фазы обмотки якоря; I – фазный ток якоря.

Остальная часть электрической мощности – полезная мощность – представляет собой активную мощность, передаваемую электрическим путем нагрузке генератора с активным сопротивлением Rнг

310

						7. Синхронные машины
Р = Р		− р	э	= mUI cosϕ = mR I 2	,	(7.76)
2	эл			нг

где U – фазное напряжение; I – фазный ток обмотки якоря.

Подставив в (7.76) выражение электромагнитной мощности Р = Рмх из формулы (7.72), получим

P2 = P1 −Σp ,	(7.77)
где Σр – полные или суммарные потери мощности в машине
Σp = p f + pмх + pд + pм + pэ.	(7.78)

КПД определяется отношением полезной электрической мощности Р2 к подводимой механической мощности Р1:

η=	P2	.	(7.79)
	P
	1

У синхронных генераторов η достигает значений 0,96–0,99 и даже небольшие погрешности при измерении близких значений мощностей Р1 и Р2 приводят к существенным ошибкам при прямом определении КПД по формуле (7.79). Поэтому обычно определяют КПД косвенным методом через полные потери Σр и полезную электрическую мощность Р2, так как её легче измерить, чем механическую мощность Р1:

	η=1−		Σp	.	(7.80)
		P	+Σp
		2

Как и в случае трансформаторов и асинхронных машин, полные потери мощности Σр представим постоянными, не зависящими от нагрузки или потерями холостого хода рхх, и переменными, зависящими от нагрузки генератора, или потерями короткого замыкания рк и проведя операции, аналогичные приведенным в п. 2.11, получим выражение для КПД синхронной машины

				p	хх	+ k2 p		кн		(7.81)
						з
η =1−									.
	k	S	н	cosϕ + p			хх	+ k2 p
	з							з кн

Зависимость КПД от коэффициента загрузки представлена на рис. 7.20. Подробно характер этой зависимости рассмотрен на примере трансформатора. Качественно он является общим для всех электрических машин. При

311