2.6. 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 по зарубежной терминологии, под работой 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 (Ff) обмотки возбуждения.

Магнитное поле возбуждения, как уже отмечалось ранее, индуктирует электродвижущую силу (ЭДС) обмотки статора (Е1). Характерный вид зависимости Е1 от Ff (или If) называется характеристикой холостого хода (XXX). Характеристика холостого хода — это зависимость Е1 от Ff при постоянной частоте вращения ротора (n2 = const), т.е. при постоянной частоте изменения ЭДС обмотки статора.

Начальная часть XXX (рис. 2.7) линейна, а при дальнейшем увеличении тока возбуждения пропорциональный рост Е1 замедляется. Это явление вызвано так называемым насыщением ферромагнитных материалов магнитопроводов электрических машин. Электродвижущая сила обмотки статора пропорциональна изменению частоты вращения ротора.

Следующее важное семейство характеристик генераторов — это зависимости токов обмотки статора (Iк) от токов обмотки возбуждения при коротком замыкании зажимов обмотки статора, т.е. характеристики короткого замыкания (рис. 2.8).

В отличие от XXX характеристики короткого замыкания (ХКЗ) 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 тяжелые последствия вызывает КЗ одной фазы (Iк1) или нескольких ее витков, т.е. неполное кроткое  замыкание. Присоединение генератора к нагрузкам с разным соотношением активных и реактивных (индуктивности и емкости) сопротивлений изменяет зависимость напряжения (U1) обмотки статора от тока нагрузки (I1). Эти характеристики называются внешними (рис. 2.9).

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). При емкостном характере нагрузки (cos(-φ) = 0) напряжение будет даже возрастать, что нежелательно, так как это может привести к неустойчивому режиму.

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

Для поддержания постоянного напряжения обмотки статора при нагрузках разного характера необходимо изменять ток обмотки возбуждения по различным законам. Эти характеристики называются регулировочными (рис. 2.10).

Сравнивая внешние (см. рис. 2.9) и регулировочные (см. рис. 2.10) характеристики, можно легко установить их взаимную зависимость.