Реакция якоря синхронной машины

 

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения Fв0и статора (якоря) F1, 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). Выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу син­хронной машины рассмотрим случаи работы гене­ратора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС 0,индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС в0) на 90°. Что же каса­ется вектора тока в обмотке статора I1, то он может занимать по отношению к вектору 0 различные положения, определяемые углом ψ1 в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка (ψ1 = 0). На рис. 84, а 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 0 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 1 направлена перпендикулярно МДС возбуждения b0 . 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 b0;под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС 0, наведен­ной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора 1 совпадает по фазе с ЭДС 0, а поэтому вектор МДС 1, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора b0 на 90°.

Рис. 84. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а),

индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

 

Такое воздействие МДС статора (якоря) 1на МДС возбуж­дения b0 вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем по­люса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 85). 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 Е1.

Индуктивная нагрузка (ψ1 = 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора 1, отстает по фазе от ЭДС 0на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соот­ветствующего максимуму ЭДС 0(см. рис. 84, б). При этом МДС 1действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС воз­буждения b0. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F1ослабляет 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 I1, при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС 0на 90°, то своего наибольшего значения он дости­гает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показан­ное на рис. 84, в. Магнитодви­жущая сила статора 1 так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения b0. 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.

Рис. 85. Магнитное поле син­хронного генератора при актив­ной нагрузке

 

Смешанная нагрузка.При смешанной нагрузке син­хронного генератора ток стато­ра I1, сдвинут по фазе относи­тельно ЭДС 0 на угол ψ1,значения которого находятся в пределах 0 < ψ1 < ±90°. Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диа­граммами МДС, представлен­ными на рис. 86.

 

Рис. 86. Реакция якоря при сме­шанной нагрузке

 

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 86, а)вектор 1 от­стает от вектора 0на угол 0 < ψ1 < 90° . Разложим вектор F1на две составляющие: продольную составляющую МДС статора и поперечную составляющую МДС статора . Такое же разложение МДС якоря F1на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 86, б). Поперечная составляющая МДС статора F1q, представ­ляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропор­циональна активной составляющей тока нагрузки , т. е.

 

, (20.13)

 

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F1dпредставляю­щая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки , т. е.

 

. (20.14)

 

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отста­ет по фазе от ЭДС 0(нагрузка активно-индуктивная), то МДС F1dразмагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС 0(нагрузка активно-емкостная), то МДС F1dподмагничивает генератор.

Направление вектора относительно вектора b0определяет­ся характером реакции якоря, который при токе нагрузки İ1, от­стающем по фазе от ЭДС 0, является размагничивающим, а при токе İ1, опережающем по фазе ЭДС 0, - подмагничивающим.