§ 6.5. РАБОТА ГЕНЕРАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ

Реакция якоря. Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки статора подключены равные и однородные сопротивления (симметричная нагрузка). В этом случае по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени относительно друг друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n1, равной частоте вращения ротора n2 . Следовательно, магнитные потоки якоря Фа и возбуждения Фв взаимно неподвижны и результирующий поток машины Фрез при нагрузке создается суммарным действием МДС Fв обмотки возбуждения и МДС Fa обмотки якоря. Однако в синхронной машине (в отличие от асинхронной) МДС обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме существенно отличается от потока при холостом ходе.

Воздействие МДС якоря на магнитное поле синхронной машины называют реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, зависит от значения и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: значения МДС обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и др. Рассмотрим, как проявляется реакция якоря при двух основных конструктив­ных формах синхронных машин — неявнополюсных и явнополюсных.

Реакция якоря в неявнополюсной машине. В этой машине воздушный зазор между статором и ротором по всей окружности остается неизменным, поэтому результирующий магнитный поток машины Фрез и создаваемую им ЭДС Е при любой нагрузке можно определить по характеристике холостого хода, исходя из результирующей МДС Fрез .Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Фрез можно существенно упростить, так как от сложения указанных МДС можно перейти к непосредственному сложению пространственных векторов соответствующих потоков:

Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхронной машины при различных углах сдвига фаз ψ между ЭДС Е0 и током Iа в обмотке якоря. Этот угол определяется характером нагрузки, т. е. значениями сопротивлений R, XL и ХC нагрузки.

Рис. 6.19. Магнитные потоки в неявнополюсной машине при различных углах ψ нагрузки

Рис. 6.20. Кривые распределения индукции в неявнополюсной машине и векторные диаграммы потоков и ЭДС при различных углах ψ

При ψ = 0 (рис. 6.19, а и 6.20, а) ток в фазе АХ достигает максимума в  момент времени, когда  оси полюсов  N и S ротора совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Известно (см. гл. 3), что в машинах переменного тока ось магнитного потока, создаваемого всеми фазами обмотки якоря, совпадает с осью той фазы, ток в которой максимален. Следовательно, в данный момент времени ось потока якоря совпадает с осью фазы АХ, т. е. отстает от оси потока ротора на 90 электрических градусов.

Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармонических магнитных полей. Кривая распределения индукции Ва = f(x) для двухполюсной машины смещена относительно кривой индукции Bв = f(x) в пространстве на 90°, т. е. поток якоря Фа действует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Фв (поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называют продольной и обозначают d-d; ось, проходящую между полюсами, называют поперечной и обозначают q-q. Следовательно, при ψ = 0 поток якоря действует по поперечной оси машины. Кривая распределения результирующей индукции Врез = f(x) при этом сдвигается относительно кривой Вв = f(x) против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на временной векторной диаграмме, т. е. вектор Фа отстает от вектора Фв на 90°. При этом модуль вектора результирующего потока Фрез = √Фв2 + Фа2.

При ψ = 90° (рис. 6.19,б и 6.20,б) ток в фазе АХ достигает максимума на четверть периода позднее момента, соответ­ствующего максимуму ЭДС Е0 . За это время полюсы ротора перемещаются на половину полюсного деления, вследствие чего кривая Ва = f(x) смещается относительно кривой Вв = f(x) на 180°. При этом поток якоря Фа действует по продольной оси машины против потока возбуждения Фв ; результирующий поток Фрез = Фв - Фа сильно уменьшается, вследствие чего уменьшается и ЭДС якоря Е. Таким образом, при ψ = 90° реакция якоря действует на машину размагничивающим образом.

При ψ = - 90° (рис. 6.19, в и 6.20, в) поток якоря также действует по продольной оси машины, но совпадает по направлению с потоком возбуждения, т. е. Фрез = Фв + Фа . Следовательно, при ψ = - 90° реакция якоря действует на машину подмагничивающим образом, увеличивая ее результирующий поток Фрез и ЭДС Е.

Выводы, полученные на основании рассмотренных трех случаев, можно распространить и на общий случай, когда —90° < ψ < 90°. При этом характерным является то, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагничивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагничивает ее.

ЭДС Е при работе генератора под нагрузкой можно рассматривать как сумму двух составляющих

ЭДС Еа пропорциональна потоку Фа , а при отсутствии насыщения и току Iа в обмотке якоря, поэтому ее можно рассматривать как ЭДС самоиндукции, индуцированную в обмотке якоря, и представить в виде Éа = -jÍаХа , где Ха — индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком якоря.

Рис. 6.21. Кривые распределения МДС якоря и создаваемой   ею   индукции   в   явнополюсной машине

Реакция якоря в явнополюсной машине. В этой машине воздушный зазор между статором и ротором не остается постоянным — он расширяется по направлению к краям полюсов и резко увеличивается в зоне междуполюсного пространства. Следовательно, поток якоря здесь зависит не только от значения МДС якоря Fа , но и от положения кривой распределения этой МДС Fa = f(x) относительно полюсов ротора, так как одна и та же МДС якоря в зависимости от ее пространственного положения создает различные магнитные потоки.

Так, например, при угле ψ = 0 (рис. 6.21, а), когда поток якоря направлен по поперечной оси машины (q-q), кривая распределения индукции Ва = Ваq имеет седлообразную форму, хотя МДС якоря Fa распределена синусоидально. При этом максимуму МДС Fa соответствует небольшая индукция, так как магнитное сопротивление воздушного зазора максимально. При угле ψ = 90° (рис. 6.21,б), когда поток якоря направлен по продольной оси машины, кривая распределения индукции Ва = Bad расположена симметрично относительно оси полюсов d-d. В этом случае индукция имеет большее значение, чем при ψ = 0, так как магнитное сопротивление воздушного зазора в данном месте невелико. Соответственно различные максимальные значения имеют и первые гармо-нические Bad1 и Baq1 указанных кривых (штриховые линии).

Рис. 6.22. Продольные и поперечные составляющие векторов МДС Fa и тока якоря Iа

Рис.  6.23.  Векторная диаграмма  потоков  Фad и Фаqи ЭДС Ead и Еаqявнополюсной машины и их определение по характеристике холостого хода

В связи с изменением результирующего сопротивления воздушного зазора при различных режимах явнополюсной машины при анализе ее работы используют так называемый метод двух реакций. Согласно этому методу, МДС якоря Fa в общем случае представляют в виде суммы двух составляющих — продольной Fad = Fa sinψ и поперечной Faq = Fa cosψ (рис. 6.22, а), причем F→a = F→ad + F→aq . Продольная составляющая F→ad создает продольный поток якоря Фad , индуцирующий в обмотке якоря ЭДС Ead , а поперечная составляющая F→aq — поперечный поток Фaq,индуцирующий ЭДС Еaq , причем принимают, что эти потоки не оказывают влияния друг на друга. В соответствии с принятым методом ток якоря Ia создающий МДС Fa , также представляют в виде двух составляющих — продольной Iа и поперечной Iq (рис. 6.22,б).

Магнитные потоки Фad и Фaq и индуцируемые ими ЭДС Еad и Еaq (рис. 6.23, а) можно определить по кривой намагничивания машины или по спрямленной характеристике (рис. 6.23,6). Однако кривая намагничивания строится для МДС возбуждения, имеющей не синусоидальное, а прямоугольное распределение вдоль окружности якоря. Чтобы воспользоваться этой кривой или спрямленной характеристикой, МДС Fad и Faq следует привести к прямоугольной МДС возбуждения Fв, т. е. найти их эквивалентные значения F'ad и F'aq.

Установление эквивалентных значении F'ad и F'aq производят на следующем основании: МДС Fad и Faq создают в воздушном зазоре машины индукции Вad и Вaq , распределенные вдоль окружности якоря так же, как и индукции, создаваемые МДС Fa соответственно при углах ψ = 0 и ψ = 90° (см. рис. 6.21, а, б). Первые гармонические Вadl и Вaq1 кривых Bad = f(x) и Вaq = f(x) образуют магнитные потоки

где Rм ad и Rм aq — магнитные сопротивления для соответствующих потоков, учитывающие не только форму воздушного зазора, но и синусоидальность кривой распределения МДС Fad и Faq вдоль окружности якоря. МДС возбуждения может создавать такие же потоки Фad и Фaq при меньших значениях МДС F'ad и F'aq :

Из последних выражений можно найти коэффициенты реакции якоря kd и kq , характеризующие уменьшение эффективных значений МДС якоря:

где Rм.в — магнитное сопротивление потока возбуждения, учитывающее форму воздушного зазора по продольной оси машины и прямоугольное распределение МДС Fв вдоль окружности якоря. Коэффициенты kd и kq физически характеризуют уменьшение магнитного сопротивления для потока Фв по сравнению с потоками Фad и Фaq . Обычно kd = 0,80 ÷ 0,95; kq = 0,30 ÷ 0,65. В машине с явно выраженными полюсами ЭДС Е при работе генератора под нагрузкой можно представить как сумму трех составляющих:

ЭДС Ead и Еaq , индуцируемые продольным Фad и поперечным Фaq потоками якоря, представляют собой по существу ЭДС самоиндукции, так как потоки Фad и Фaq создаются МДС Fad и Faq , пропорциональными токам Id и Iq . Поэтому для ненасыщенной машины можно считать, что

где Xad и Xaq — индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответствующие полям продольной и поперечной реакции якоря.

Для машины с неявно выраженными полюсами МДС якоря приводятся к МДС обмотки возбуждения по формуле