Всякая система будет работоспособной, если она обладает необходимой устойчивостью. Под устойчивостью понимают способность системы с течением времени возвращаться к равновесному состоянию, из которого она была выведена внешними воздействиями. Различают статическую и динамическую устойчивость электроэнергетических систем.
Статической устойчивостью называется способность системы самостоятельно восстанавливать исходное состояние при бесконечно малом его отклонении от положения равновесия. В этом случае система регулирования первичных двигателей успевает создать изменение первичного фактора, соответствующее изменению нагрузки генераторов. Таким образом, система при малых отклонениях режима от положения равновесия сохраняет параметры режима, близкие к номинальным.
Рис. 1. К взаимодействию полей статора и ротора синхронного генератора.
Рис. 2. Векторная диаграмма синхронного генератора.
Ввиду наличия упругой магнитной связи между разноименными полюсами ротора и статора ротор генератора вращается с угловой скоростью поля статора. В режиме холостого хода оси полюсов совпадают. При этом генератор не потребляет механической энергии со стороны первичного двигателя и не отдает электроэнергию в сеть. Если теперь увеличением подачи рабочего тела в первичный двигатель увеличить его вращающий момент, то это вызовет смещение ротора генератора в сторону опережения магнитного поля статора на некоторый угол.
С появлением угла 0 геометрическая сумма э.д.с. генератора Е и напряжения сети будет равна некоторой величине АЕ, которая создаст ток в статоре I, отстающий от э.д.с. АЕ на 90°. Индуктивный род тока объясняется преимущественно индуктивным характером сопротивления обмотки статора генератора.
Механическая мощность первичного двигателя, подводимая к генератору, таким образом превращается в нем в электрическую, которая передается судовым потребителям. С появлением в обмотке статора генератора электрического тока возникает электромагнитный момент, создающий противодействие вращающему моменту первичного двигателя. Ток в генераторе и электромагнитный тормозной момент будут увеличиваться с увеличением угла 0 пространственного смещения ротора относительно поля статора. В некоторый момент времени наступает равновесное состояние, при котором вращающий момент первичного двигателя уравновешивается создающим сопротивление электромагнитным моментом генератора.
Угол б изменяется с изменением момента и механической энергии первичного двигателя. При этом изменяется и отдаваемая в сеть электрическая энергия генератора. Поэтому угол 0 принято называть углом нагрузки генератора, а зависимость электромагнитной мощности от угла 0 — угловой характеристикой.
Дальнейшее увеличение механической мощности приводного двигателя вызывает увеличение угла 0 свыше причем в пределах изменения угла 0 от — до я положительному приращению угла +А0 будет соответствовать отрицательное приращение электромагнитной мощности генератора —АР, т. е. с увеличением механической мощности и угла 0 нагрузка на валу, создаваемая генератором, будет уменьшаться. Это вызывает еще большее рассогласование мощности и моментов первичного двигателя и генератора и дальнейший разгон генераторного агрегата. Поле статора по-прежнему вращается с синхронной скоростью соо, скорость ротора увеличивается, магнитная связь между ротором и статором нарушается и генератор выпадает из синхронизма. Так происходит нарушение статической устойчивости параллельной работы генераторов. Участок ABC угловой характеристики называется участком неустойчивой работы генератора.
Рис. 3. Угловая характеристика синхронного генератора.
Из уравнения также следует, что идеальный статический предел мощности можно повысить, увеличивая э.д.с. (ток возбуждения) или уменьшая синхронную реактивность xd генератора. Уменьшения ха можно добиться при изготовлении машины путем увеличения воздушного зазора между статором и ротором, но это повлечет за собой необходимость увеличения мощности обмотки возбуждения, а следовательно, повышение габаритов и стоимости машины. Кроме того, уменьшение ха ведет к увеличению токов короткого замыкания.
Таким образом, повышать статическую устойчивость синхронного генератора рациональнее путем увеличения э.д.с. Однако эти меры не являются необходимыми, если принять во внимание, что перегрузочная способность синхронного генератора значительно выше перегрузочной способности турбин и тем более дизелей.
Нарушение статической устойчивости синхронного генератора может вызвать резкий провал напряжения судовой электростанции, уменьшающий статический предел мощности. Такое снижение напряжения возможно при коротких замыканиях в сети, что уже больше связано с динамической устойчивостью системы.