Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения Fв0 [см. (20.1)] и статора (якоря) F1 [см. (9.15)], при этом МДС статора (яко­ря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения назы­вается реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение маг­нитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наве­денной в обмотке статора, а следовательно, изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешан­ную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При птетроении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС Е₀, индуцируемой магнит­ным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС Fв0) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора İ1, то он может занимать по отношению к вектору Е₀ различные положения, определяемые углом в зависимости от вида на­грузки.

Активная нагрузка (ψ1 = 0). На рис. 20.5,представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует мак­симуму ЭДС Ёо в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положе­ние ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС ста­тора F1 направлена перпендикулярно МДС возбуждения Ёв0. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, по­строенной для этого же случая. Порядок построения этой диа­граммы следующий: в соответствии с пространственным положе­нием ротора генератора проводим вектор МДС возбуждения; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим

вектор ЭДС Е₀, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора U совпадает по фазе с ЭДС Е₀, а поэтому вектор МДС F1, создаваемый этим током, сдвинут в простран­ство относительно вектора Fв₀ на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) F1 на МДС воз­буждения Fв₀ вызовет искажения

1.0

Рис. 20.5. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 20.6). Вследствие насыщения магнитной цепи результирую­щее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясня­ется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбе­гающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным на­сыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирую­щий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е).

Индуктивная нагрузка (ψ1= 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора I1 отстает по фазе от ЭДС Ёо на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его по­ложения, соответствующего максимуму ЭДС Ёо (см. рис. 20.5,6). При этом МДС F1 действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения Fb0. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F1 ослабляет поле машины.

Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чис­то индуктивной нагрузке оказывает продольно- размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рас­сматриваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка (ψ = —90°). Так как ток İ₁ при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС Е₀ на

Рис. 20.6. Магнитное поле синхронного генератора при активной на­грузке

90°, то своего достигает наибольшего значения он раньше, чем ЭДС т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 20.5, в. Магнитодвижущая сила статора F1 так же как и в пре­дыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже со­гласно с МДС возбуждения Fв0, При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкост­ной нагрузке синхронного генера­тора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

Смешанная нагрузка. При сме­шанной нагрузке синхронного ге­нератора ток статора 1Х сдвинут по фазе относительно ЭДС Ео на угол √3, значения которого на­ходятся в пределах 0< ψ1<±90°. Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диаграммами МДС, представленными на рис. 20.7.

Рис. 20.7. Реакция якоря при смешан­ной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 20.7,а) вектор F₁ отстает от вектора Ео на угол 0 С С90°. Разложим вектор F1 на две составляю­щие: продольную составляю­щую МДС статора F1d= F1sinψ1) и поперечную составляющую МДС статора F1q = const. Та­кое же разложение МДС якоря F1 на составляющие можно сде­лать в случае активно-емкост­ной нагрузки (рис. 20.7,6).

F1q = F1cosψ1, (20.13)

Поперечная составляющая МДС статора F1q, представляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузки Id = I1cosψ₁, а продольная составляющая МДС статора (якоря) F1d, пред­ставляющая собой МДС реакции якоря по продольной оси, про­порциональна реактивной составляющей тока нагрузки Id = I1sin ψ1, т. е.

F1d = F1sim ψ1,. (20.14)

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки от­стает по фазе от ЭДС Ео (нагрузка активно-индуктивная), то МДС F1d размагничивает генератор, если же реактивная состав­ляющая тока Id опережает по фазе ЭДС Ё0 (нагрузка активно- емкостная), то МДС F1d подмагничивает генератор.

Направление вектора F1d относительно вектора Fв₀ опреде­ляется характером реакции якоря, который при токе нагрузки I1, отстающем по фазе от ЭДС Ео, является размагничиваю­щим, а при токе İ₁, опережающем по фазе ЭДС Е₀,— подмагничивающим.