Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0и 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 F_1q, представ­ляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропор­циональна активной составляющей тока нагрузки , т. е.

, (20.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F_1dпредставляю­щая 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 F_1dразмагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС ₀(нагрузка активно-емкостная), то МДС F_1dподмагничивает 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.