Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F _в0и статора (якоря) F ₁, 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 I ₁, 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 F ₁ослабляет 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 I ₁, 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 I ₁, 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 F ₁на две составляющие: продольную составляющую МДС статора и поперечную составляющую МДС статора . Такое же разложение МДС якоря F ₁на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 86, б). Поперечная составляющая МДС статора F ₁_q, представляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузки , т. е.

, (20.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F₁_dпредставляющая 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 ₁_dразмагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС ₀(нагрузка активно-емкостная), то МДС F₁_dподмагничивает генератор.

Направление вектора относительно вектора _b₀определяется характером реакции якоря, который при токе нагрузки İ ₁, отстающем по фазе от ЭДС ₀, является размагничивающим, а при токе İ ₁, опережающем по фазе ЭДС ₀, - подмагничивающим.