Характеристики генераторов, работающих на автономную сеть

Турбогенераторы и гидрогенераторы большой мощности редко работают на автономную сеть или автономную нагрузку, но эти режимы важны для понимания процессов при включении генераторов в электрические сети, объединяющие несколько генераторов.

Под холостым ходом, или в зарубежной терминологии работа с открытым контуром, понимается режим работы генератора, при котором ток в обмотке статора (якоря) равен нулю. Обмотка статора при этом не присоединена ни к какой нагрузке, ни к какому-либо источнику напряжения. Магнитное поле в генераторе при холостом ходе создается только магнитодвижущей силой (МДС F_f) обмотки возбуждения, иными словами, произведением тока обмотки возбуждения I_f на число ее витков на одном полюсе ротора. Магнитное поле возбуждения, как уже отмечалось ранее, индуктирует электродвижущую силу (ЭДС) обмотки статора Е₁. Характерный вид зависимости Е₁ от F_f (или I_f) называется характеристикой холостого хода (XXX). XXX — это зависимость Е₁ от F_f при постоянной частоте вращения ротора n₂ = const, т.е. при постоянной частоте изменения ЭДС обмотки статора.

Начальная часть XXX (рис. 7.11) линейна, а при дальнейшем увеличении тока возбуждения пропорциональный рост Е₁ замедляется. Это явление вызвано так называемым насыщением ферромагнитных материалов магнитопроводов электрических машин. Изменение частоты вращения ротора пропорционально сказывается на значениях ЭДС обмотки статора.

Следующее важное семейство характеристик генераторов — это зависимости токов обмотки статора I_к от токов обмотки возбуждения при коротком замыкании зажимов обмотки статора, т.е. характеристики короткого замыкания (КЗ) (рис. 7.12).

В отличие от XXX, эти характеристики строго линейны, так как магнитное поле генератора в этом режиме определяется магнитодвижущими силами двух обмоток, статора и ротора, действующими при КЗ навстречу друг другу. Это приводит к уменьшению результирующего магнитного потока, исчезновению насыщения магнитопроводов и линейности характеристик КЗ. Особенностью характеристик КЗ является неодинаковость токов обмотки статора при различных видах КЗ. Наиболее тяжелым по сравнению с двух- (I_к2) и трехфазным (I_к3) замыканием фаз, т.е. при полном коротком замыкании, является КЗ одной фазы (I_к1) или нескольких ее витков.

Присоединение генератора к нагрузкам с разным соотношением активных и реактивных (индуктивности и емкости) сопротивлений изменяет зависимость напряжения U₁ обмотки статора от тока нагрузки I₁ (рис. 7.13). Эти характеристики называются внешними.

Наибольшее падение напряжения на зажимах обмотки статора будет при нагрузке, которая по своему характеру совпадает с внутренними сопротивлениями обмоток генератора, а именно, индуктивной (cosφ = 0 — индуктивный). При емкостном характере нагрузки [cos(-φ) = 0 — емкостной] напряжение будет даже возрастать, что нежелательно, так как может привести к неустойчивому режиму.

При активном характере нагрузки (cosφ = 1) напряжение обмотки статора уменьшается, но в меньшей степени, чем при cosφ = 0.

Для поддержания постоянного напряжения обмотки статора при нагрузках разного характера необходимо изменять ток обмотки возбуждения по различным законам. Эти характеристики называются регулировочными (рис. 7.14).

Сравнивая внешние и регулировочные характеристики (рис. 7.13 и 7.14), можно легко установить их взаимную зависимость.