Принцип действия синхронного генератора. Приводной двигатель развивает момент 
, вращая ротор генератора с частотой 
. По обмотке ротора протекает постоянный ток 
, её МДС 
создает магнитный поток ротора 
. Вращаясь вместе с ротором относительно статора, поток в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в каждой фазе обмотки статора ЭДС 
. При замкнутой внешней цепи по обмоткам статора протекает ток нагрузки I, который, в свою очередь, образует МДС статора 
. МДС создает магнитный поток реакции якоря 
и поток рассеяния 
(аналогичный асинхронному двигателю), который замыкается поперёк пазов статора и вокруг лобовых частей обмотки статора. Потоки и наводят в обмотке статора соответственно ЭДС 
и 
.
Векторная сумма ЭДС 
и падение напряжения на активном сопротивлении обмотки статора 
равно напряжению на выходах генератора U.
Магнитные потоки статора и складываются с магнитным потоком ротора , который, взаимодействуя с током статора I, образует тормозной момент 
(обратная связь), противодействующий вращающему моменту приводного двигателя. Вырабатываемая статором генератора активная мощность P поступает в электрическую нагрузку.
Уравнение напряжений обмотки статора. На рис 4.9 приведена схема замещения одной фазы статора генератора. Составим по этой схеме уравнения второго закона
Кирхгофа:
(4.1)
Здесь — ЭДС, индуцируемая магнитным потоком ротора ; и – ЭДС, индуцируемая соответственно магнитным потоком реакции якоря и потоком рассеяния; — падение напряжения на активном сопротивлении обмотки статора;U – фазное напряжение статора генератора.
ЭДС и наводятся магнитными потоками и , которые пропорциональны вызывающему их току статора. Поэтому эти ЭДС могут быть выражены через постоянные индуктивные сопротивления 
и 
, т.е. 
и 
. Тогда 
.
Обозначим сумму внутренних индуктивных сопротивлений машины 
, где 
– синхронное сопротивление.
Обычно 
<<, поэтому активным сопротивлением обмотки якоря можно пренебречь. Тогда уравнение (4.1) обмотки статора принимает вид:
. (4.2)
Схема замещения генератора, отвечающая уравнению (4.2), изображена на рис. 4.8.
Векторная диаграмма синхронного генератора. Векторную диаграмму строят в соответствии с уравнением (4.2). Если нагрузка генератора активно-индуктивная, то вектор тока статора I отстает по фазе на угол 
от вектора напряжения U, а вектор индуктивного падения напряжения 
опережает вектор тока на угол 
(рис. 4.10,а). Сумма векторов U и дает вектор ЭДС . Угол
между векторами и U называют углом нагрузки, а угол между векторами и I обозначается 
. ЭДС соответствует магнитный поток ротора , а напряжению U – результирующий магнитный поток машины 
(рис. 4.9,б). В генераторном режиме поток опережает поток на угол, чему соответствует сдвиг на тот же угол полюса ротора 
относительно полюса N и результирующего поля машины. Силовые линии магнитного поля между полюсами показаны тонкими сплошными линиями. В генераторном режиме в результате взаимодействия полюсов и Nобразуется противодействующий момент 
.
Работа синхронного генератора на автономную нагрузку. Синхронные генераторы работают в автономном режиме (рис. 4.4, б) в тех случаях, когда промышленная электрическая сеть имеет недостаточную мощность или вообще отсутствует, например, на удалённых строительных площадках, нефтяных и газовых промыслах, лесозаготовительных пунктах, морских и речных судах, летательных аппаратах и т.п. Напряжение на выводах автономно работающего синхронного генератора U в большой степени зависит от нагрузки и её характера.
Зависимость U(I) при n0=const, Iв=const и cosφ = const называется внешней характеристикой генератора. Семейство внешних характеристик синхронного генератора при различных cos изображено на рис. 4.10. Характеристики показывают, что напряжение генератора при активно – индуктивной нагрузке (>0) довольно резко падает, что объясняется размагничивающим действием реакции якоря, а при активно–ёмкостной нагрузке (<0) изменяется незначительно и даже может увеличиваться, что связано с намагничивающим действием реакции якоря при этой нагрузке. При эксплуатации генератора стабилизацию напряжения осуществляют регуляторами возбуждения, которые при увеличении тока нагрузки I увеличивают 
поток ротора Ф0, а следовательно, и ЭДС Е0 за счёт увеличения тока Iв возбуждения ротора.
Работа синхронного генератора параллельно с трёхфазной сетью большой мощности на общую нагрузку. На электростанциях обычно устанавливают несколько синхронных генераторов, параллельно работающих на общую электрическую сеть, а отдельные электрические станции объединяются в мощные энергосистемы (например, единая система европейской части РФ), которые обслуживают промышленных, коммунальных и бытовых потребителей.
При совместной работе синхронного генератора с сетью существенное значение имеют вопросы включения на параллельную работу, регулирования реактивной и активной мощностей генератора. При анализе параллельной работы принимается, что напряжение Uс и частота сети постоянны. Рассмотрим включение генератора на параллельную работу с сетью.
В момент включения генератора в сеть возможен толчок тока, который может вызвать ударные электромагнитные силы и моменты, способные нарушить работу электрической сети, вызвать механические повреждения генератора и другого электрооборудования. Для того чтобы избежать этих опасных явлений, необходимо, чтобы ток генератора в момент включения был равен нулю. Это условие выполняется, если напряжение генератора равно напряжению сети 
во всех трёх фазах. Это общее условие распадается на четыре частных условия:
Ø действующие значения фазных напряжений включаемого генератора должны быть равны действующим значениям фазных напряжений сети: 
(равенство напряжений по модулю);
Ø напряжения генератора и сети должны совпадать по фазе;
Ø частота напряжений генератора f должна быть равна частоте сети fc;
Ø порядок чередования фаз генератора и сети должен быть одинаковым.
Правильное соотношение между напряжениями трёхфазного генератора и трёхфазной сети иллюстрируется векторной диаграммой на рис. 4.11.
Процесс выполнения перечисленных условий при включении на параллельную работу называется синхронизацией.
Синхронизацию можно осуществить, используя вольтметр и лампы Н1 – Н3, включённые по схеме рис. 4.11. Равенство частот и фаз достигается изменением частоты вращения ротора, т.е. регулировкой частоты вращения приводного двигателя ПД. Равенство действующих значений (модулей) напряжений 
и 
достигается регулированием тока возбуждения Iв генератора. Правильность чередования фаз обеспечивается присоединением фазных обмоток подключаемого генератора к одноимённым фазам сети с тем, чтобы было соблюдено одинаковое чередование фаз: А, В и С. При выполнении условий синхронизации лампы гаснут, а стрелка вольтметра показывает нуль. В этот момент времени обмотки статора присоединяют к сети. Для включения на параллельную работу генераторов большой мощности применяются специальные схемы и устройства автоматической синхронизации.
Регулирование реактивной мощности синхронного генератора возможно изменением тока возбуждения Iв. После включения генератора на параллельную работу ток 
в обмотке статора равен нулю (рис. 4.12, а). При этом, как видно из (4.2), 
и напряжение генератора равно напряжению сети, т.е. . В этих условиях синхронная машина работает в режиме идеального холостого хода, она не отдаёт мощность в сеть и не потребляет её из сети.
Если после включения генератора на параллельную работу изменить ток возбуждения Iв, то изменятся магнитный поток ротора Ф0 и ЭДС Е0, а между сетью и статором появится уравнительный ток . Значения этого тока определим из (4.2) с учётом того, что :
(4.3)
При работе генератора на сеть большой мощности его напряжение остаётся неизменным и равным напряжению сети, что обусловливает и постоянство результирующего магнитного потока генератора. При увеличении тока возбуждения (перевозбуждение генератора) Е0>U.
С учетом (4.3) вектор произведения 
направлен согласно с вектором напряжения (рис. 4.12,б), а уравнительный ток отстаёт по фазе на 90° от вектора , т.е. является индуктивным током. В результате действия реакции якоря индуктивный ток размагничивает машину и сохраняет неизменным результирующий магнитный поток. Генератор отдаёт в сеть реактивную мощность QL, которая может быть использована другими приёмниками, включёнными в сеть. С точки зрения воздействия на сеть генерирование реактивной мощности равносильно потреблению из сети ёмкостного тока, т.е. перевозбуждённый синхронный генератор подобен конденсатору.
Напротив, если ток возбуждения уменьшать (недовозбуждение генератора), ток будет опережать по фазе напряжение на 90° (рис. 4.13, в). Опережающий
тококажет на магнитную систему генератора намагничивающее действие. Изменение фазы тока на 180° по сравнению с предыдущим случаем означает, что генератор теперь потребляет из сети реактивную мощность, т.е. его влияние на сеть подобно действию индуктивности.
В обоих случаях угол сдвига 
между током и ЭДС 
равен 90°, поэтому активная мощность 
. Таким образом, изменением тока возбуждения можно регулировать только реактивную мощность синхронного генератора, но нельзя нагрузить его активной мощностью.
Активную мощность генератор отдаёт в том случае, когда, начиная от холостого хода, увеличивается вращающий момент его приводного двигателя, что достигается увеличением потребляемого им энергоносителя (воды, пара, нефти, угля и т.п.). Под действием момента приводного двигателя ось полюсов ротора опережает ось полюсов вращающегося магнитного поля на угол <0 (см. полюсы S0 и N на рис. 4.9, б). В результате вектор ЭДС на векторной диаграмме рис. 4.12, б станет двигаться по направлению вращения и займёт положение, показанное на векторной диаграмме рис. 4.13. Вектор опережает вектор напряжения сети на угол , а у тока статора появится активная составляющая 
, которая указывает, что генератор отдаёт в сеть активную мощность. Её сумма с мощностью потерь в генераторе равна механической мощности, поступающей от приводного двигателя. Одновременно с отдачей в сеть активной мощности генератор развивает противодействующий момент Мпр, который уравновешивает возросший вращающий момент приводного двигателя. Противодействующий момент генератора обусловливается взаимодействием активной составляющей тока с результирующим магнитным потоком машины Фрез.
