Przede wszystkim, obowiązuje zasada zachowania energii – ilość wygenerowanej energii jest równa ilości dostarczonej pomniejszonej o straty – więc dostarczenie większej ilości pary do turbiny (a wraz z nią energii do generatora) powinno doprowadzić do wygenerowania większej ilości energii elektrycznej. Rozumiem jednak, że w pytaniu chodzi raczej o to, w jaki sposób generator może wytwarzać większą moc przy takich samych obrotach.

Może dobrze byłoby sprecyzować rodzaj generatora – zapewne chodzi o prądnicę synchroniczną. W prądnicy występuje oddziaływanie pola magnetycznego z cewką twornika (w której ma być wytwarzana energia elektryczna kosztem energii mechanicznej wkładanej w napędzanie prądnicy), poruszającą się względem źródła tego pola, bądź względem magnetowodu, który kieruje je na tę cewkę (np. alternator jest zwykle tak skonstruowany, że zarówno cewka wzbudzająca wytwarzająca pole magnetyczne, jak i cewka twornika, na którą ono oddziałuje, są nieruchome, a obraca się jedynie magnetowód, zmieniając kierunek pola w cewce twornika – dzięki temu połączenia obu cewek są stałe, bez szczotek).

Siła elektromotoryczna (SEM) indukowana w cewce twornika jest równa szybkości zmian strumienia pola magnetycznego przechodzącego przez nią (zwykle dąży się do tego, by zmieniał się on w czasie sinusoidalnie) pomnożonej przez ilość zwojów. Jeśli amplituda i częstotliwość zmian tego strumienia magnetycznego są stałe, to SEM też jest stała. Przy braku obciążenia prądnicy, gdy przez cewkę twornika nie płynie prąd, jest ona równa napięciu na cewce twornika.

Co się stanie, jeśli dodamy pary? Przede wszystkim zwiększy się moment siły dawany przez turbinę parową i napędzający wirnik prądnicy – ponieważ nic na razie nie zwiększa momentu hamującego, wirnik zwiększa szybkość obrotów. Jeśli mamy jedną taką prądnicę i do niej podłączone odbiorniki energii elektrycznej, to taki stan szybszych obrotów się utrzyma (spowoduje to wzrost SEM, dzięki czemu przy tym samym napięciu na obciążeniu prądnica da większy prąd, a więc i większą moc – a jeśli odbiorniki jej nie zużyją, to wzrośnie napięcie), o ile nie zadziała jakiś regulator, który by pilnował stałości tych obrotów (poprzez ograniczanie podawania pary) – i wtedy odbiorniki dostaną wyższe napięcie o wyższej częstotliwości.

Jeśli jednak taka prądnica działa w sieci, to jej SEM zacznie przesuwać się w fazie względem napięcia sieci – zacznie je wyprzedzać. Dopóki ich amplitudy i fazy były zgodne, przez cewkę twornika nie płynął prąd; teraz różnica fazy da różnicę między SEM i napięciem sieci – ta różnica będzie wyprzedzać napięcie sieci z grubsza o 90 stopni, i spowoduje przepływ prądu – indukcyjność cewki spowoduje, że będzie on opóźniony w fazie względem tej różnicy SEM i napięcia. Ten prąd będzie dostarczać energię do sieci, i generować moment hamujący wirnik, który zrównoważy moment napędzający turbiny. W rezultacie prędkość wirowania zmaleje do początkowej, tylko ruch wirnika będzie przesunięty w fazie.

Ale to niestety nie wszystko. To przesunięcie przy SEM równej napięciu w sieci będzie nieco większe, niż 90 stopni, a cewka twornika ma nie tylko indukcyjność, ale także oporność – obie te rzeczy dają wkład do wyprzedzania w fazie napięcia przez prąd. To może być niekorzystne dla sieci, a i sama prądnica najlepiej działa wtedy, gdy jej prąd jest zgodny w fazie z napięciem sieci, do której dostarcza energię elektryczną. Dlatego potrzebuje regulatora, który zmieni prąd w cewce wzbudzenia – po zwiększeniu dopływu pary do turbiny powinien on nieco wzrosnąć.

Spróbowałem policzyć, jaki będzie wpływ oporności cewki na kąt wyprzedzenia napięcia przez prąd, i okazało się, że w prądnicy o dużej mocy, liczonej w megawatach (takie prądnice są stosowane w elektrowniach) to przesunięcie (wynikające z oporności) może być niewielkie – najwyżej kilka stopni – gdyż oporność cewki twornika jest co najmniej kilkanaście razy mniejsza od jej reaktancji indukcyjnej przy częstotliwości 50Hz, nawet nie licząc zwiększenia indukcyjności przez rdzeń – dopóki przesunięcie fazy SEM względem napięcia w sieci jest małe. Ale przy dużej mocy generowanej indukcyjność tej cewki wymaga sporej różnicy między SEM, a napięciem, i potrzebne do tego przesunięcie fazy SEM może dawać znacznie większy wkład do przesunięcia fazy prądu względem napięcia – zwłaszcza jeśli prądnica jest tak skonstruowana, żeby zwarcie w sieci nie groziło szybkim uszkodzeniem tej prądnicy – tak będzie przy odpowiednio dużej indukcyjności cewki twornika.

Rezultat jest taki, że przy niewielkich zmianach mocy napędzającej prądnicę może ona działać bez pomocy regulatora – te zmiany mocy będą powodować niewielkie zmiany różnicy fazy prądu i napięcia. Przy dużych zmianach mocy działanie regulatora będzie potrzebne, żeby różnica fazy prądu i napięcia nie stała się zbyt duża, bo to by zanadto zmniejszało moc czynną, jaką prądnica mogłaby generować, i powodowałoby generowanie mocy biernej, która zakłócałaby działanie sieci. Poza tym, prądnica może być używana do kompensacji przesunięcia fazy prądu i napięcia, powodowanego przez odbiorniki i przez linie przesyłowe – do tego bywają także stosowane kompensatory fazy, maszyny podobne do prądnic, ale nie napędzane. Wtedy taka prądnica, bądź taki kompensator potrzebuje regulatora, który dostosowuje jej/jego moc bierną do zapotrzebowania sieci.

Podsumowując:

• Ta sama prądnica, przy takich samych obrotach i takim samym prądzie wzbudzenia może generować różną moc w zależności od przesunięcia fazy między jej SEM, a napięciem w sieci, do której generuje prąd.
• W dużym zakresie tego przesunięcia fazy generowana (i dostarczana do sieci) moc rośnie, gdy rośnie wyprzedzenie fazy napięcia sieci przez SEM – w związku z tym zmiana mocy mechanicznej napędzającej prądnicę powoduje chwilową zmianę jej prędkości prowadzącą do zmiany przesunięcia fazy SEM względem napięcia, i przez to odpowiedniej zmiany generowanej mocy elektrycznej – wzrostu, gdy moc dostarczana wzrasta, spadku, gdy ona maleje.
• Ta zmiana generowanej mocy elektrycznej powoduje zmianę momentu hamującego prądnicę, i zatrzymuje przesuwanie się fazy SEM, gdy bilans mocy zacznie się zgadzać.
• Takiemu automatycznemu dostosowaniu mocy generowanej do dostarczanej towarzyszy zmiana różnicy fazy między prądem generowanym przez prądnicę, a napięciem sieci.
• Przy dużym zakresie zmian mocy zmiana różnicy fazy byłaby zbyt duża, więc prądnica powinna mieć regulator, który zmieni prąd w jej cewce wzbudzenia.
• W związku zarówno z tymi zmianami różnicy fazy prąd/napięcie, oraz ze zmianami różnicy fazy prąd/napięcie po stronie odbiorczej, w sieci potrzebna jest kompensacja mocy biernej – mogą ją wykonywać prądnice, bądź kompensatory.

Dla pokazania działania takiego generatora zrobiłem model komputerowy –  generator ma cewkę generującą o oporności 0.01 oma i impedancji indukcyjnej 0.5 oma dla częstotliwości 50Hz. Dla każdej sytuacji są wykresy w trzech odrębnych plikach.

elgen1 – w tym pliku górne wykresy przedstawiają prąd podzielony na składową zgodną w fazie z napięciem sieci (to ona przekazuje moc czynną do sieci), oraz składową wyprzedzającą napięcie o 90°; dolne pokazują moc, jaką generator potrzebuje dostawać od turbiny, by utrzymały się stałe obroty wirnika, oraz moc oddawaną do sieci. Jasnoniebieska pionowa linia pokazuje przesunięcie fazy SEM względem napięcia sieci – przesunięta w prawo, gdy SEM wyprzedza napięcie – punkty jej przecięcia z wykresami wyznaczają parametry generatora.

Krzywe na wykresach zmieniają się, gdy zmienia się prąd wzbudzenia.

Poniżej wykresów są suwaki do nastawiania mocy dostarczanej do generatora, oraz prądu wzbudzenia.

elgen2 – w tym pliku pokazana jest wartość skuteczna i faza: napięcia sieci (jest stałe, kolor czarny), SEM (zielony), SEM minus napięcie sieci (niebieski), generowanego prądu (czerwony). Dla napięcia sieci jest strzałka w prawo; obrót w lewo = wyprzedzenie, czyli np. strzałka do góry = wyprzedzenie o 90°;.

elgen3 – w tym pliku pokazane są przebiegi w czasie tych samych wielkości, tymi samymi kolorami, obejmują 40 ms – dwa okresy 50 Hz.

Strona 1: stan początkowy – wirnik generatora kręci się z nominalną prędkością 3000 obrotów/minutę, amplituda i faza SEM są zgodne z napięciem sieci, prąd nie płynie, moc – zarówno pobierana z turbiny, jak i oddawana do sieci jest 0 (generator jest wyidealizowany, nie ma w nim żadnych strat na tarcie, prądy wirowe w rdzeniu, itp.).

Strona 2: do turbiny puszczamy parę, napędza ona generator mocą 80kW; wirnik generatora przyśpiesza i faza SEM przesuwa się względem fazy napięcia sieci; to powoduje, że zaczyna płynąć prąd, i pojawiają się siły wytworzone przez ten prąd, które hamują wirnik – przy różnicy faz 48.56° ustala się równowaga (wcześniej różnica faz przez chwilę oscyluje, bo aż do tego punktu wirnik przyśpieszał, potem z rozpędu uzyskał większe wyprzedzenie). Wytworzony prąd oprócz składowej zgodnej w fazie z napięciem ma dość dużą składową wyprzedzającą napięcie.

Strona 3: układ regulatora reaguje na pojawienie się przesunięcia fazy prądu względem napięcia i zwiększa prąd wzbudzenia do 126% nominalnego – teraz przy mocy napędzającej 80kW generowany prąd będzie w fazie z napięciem, a kąt wyprzedzenia napięcia przez SEM maleje do 36.25°.

Strona 4: do turbiny puszczamy więcej pary, zwiększając moc do 120kW; kąt wyprzedzenia napięcia przez SEM rośnie, znów pojawia się składowa prądu wyprzedzająca napięcie. Nie można było od razu ustawić takiej mocy – generator nie mógłby jej oddać i zgubiłby synchronizację z siecią.

Strona 5: regulator zwiększył prąd wzbudzenia do 151%, aby dopasować fazę prądu do fazy napięcia.

Strona 6: zamykamy dopływ pary – turbina przestaje napędzać generator i on w tym stanie działa jako kompensator – zabiera z sieci prąd, który wyprzedzał napięcie, pobierając z sieci niewielką moc potrzebną na pokrycie strat powodowanych przez przepływ prądu przez uzwojenia.

Za chwilę układ regulatora stwierdzi, że nie jest to potrzebne, bo inne generatory już dopasowały fazę swojego prądu do fazy napięcia, więc zmniejszy prąd wzbudzenia, i generator wróci do stanu początkowego.