§4. Работа синхронного генератора под нагрузкой (на примере явнополюсной машины).

4.1. Реакция якоря.

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки статора подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени друг относительно друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n₁, равной частоте вращения ротораn₂. Следовательно, магнитные потоки якоря Ф_аи возбуждения Ф_вбудут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Ф_резпри нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с.F_вобмотки возбуждения и м.д.с.F_аобмотки якоря.

Однако, в синхронной машине (в отличие от асинхронной) м.д.с. обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе.

Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле синхронной машины называется реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины м.д.с. F_в, свойств магнитной системы.

4.2. Реакция якоря в явнополюсной машине.

Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхронной машины при различных углах сдвига фаз ψ между э.д.с. Е₀и токомI_ав обмотке якоря. Этот угол определяется характером нагрузки, т.е. величинами сопротивленийR,x_Lиx_c.

4.2.1. Реакция якоря при чисто активной нагрузке.

Покажем трехфазный генератор, в котором каждая фаза представлена одной катушкой.

Расположим ротор таким образом, чтобы центр полюса находился под стороной одной из фаз (пусть это фаза А). Тогда, согласно закону наведения э.д.с. в этой фазе э.д.с. Е₀от поля полюсов будет максимальной, т.к. проводники фазы находятся в точке пространства, где индукция поля полюсов наибольшая. Но по условию отсутствует сдвиг фаз между Е₀иI_а. Следовательно, ток в фазе А будет наибольшим.

Вращающаяся намагничивающаяся сила, созданная трехфазной обмоткой, в момент максимума тока в какой-либо фазе располагается своей осью по оси этой фазы. Следовательно, в нашем случае ось намагничивающей силы обмотки якоря F_арасположится по оси фазы А (на рисунке горизонтально). Направление вектора намагничивающей силыF_авправо определяем, используя правило буравчика, проследив знаки э.д.с. и тока в фазе А. Поскольку намагничивающая сила обмотки возбуждениянаправлена по оси полюсов (на рис. вертикально вверх), видно что оси намагничивающих сил обмоток возбужденияи якорясдвинуты на 90° электрических. Направление по оси полюсов трактуется как продольное (индексd). Намагничивающая сила обмотки якоря, расположенная относительно намагничивающей силы обмотки возбуждения под углом 90° электрических, называется поперечной (индексq). Следовательно, при чисто активной нагрузке=. Поперечная намагничивающая сила обмотки якорябудет ослаблять поле на набегающем и усиливать на сбегающем крае полюса.

4.2.2. Реакция якоря при чисто индуктивной и емкостной нагрузках.

При чисто индуктивной нагрузке угол ψ=90° отстающий.

Теперь, когда центр полюса ротора расположен под стороной фазы и э.д.с. Е₀будет равен нулю, ток в этой фазе (у нас фаза А) будет максимальным позднее, и за это время ротор успеет повернуться на 90° электрических в течение времени, разделяющее максимальное и минимальное значение тока. Как видно, намагничивающая сила обмоток возбуждения и якоря будут направлены противоположно. Намагничивающая сила обмотки якоряявляется продольной размагничивающей:=. Таким образом, реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке влияет количественно, уменьшая поток по сравнению с его величиной при холостом ходе.

При чисто емкостной нагрузке угол ψ=90° опережающий. Теперь в момент максимального значения тока в фазе А, ось ротора отстает на 90° электрических по направлению вращения от стороны фазы А. Это означает, что оси намагничивающих сил обмоток возбуждения и якоря совпадают и реакция якоря будет продольной подмагничивающей, усиливающей магнитное поле полюсов. Результирующий поток при нагрузке увеличивается по сравнению с потоком при холостом ходе.

4.2.3. Общий случай нагрузки. Теория двух реакций.

В общем случае нагрузки угол ψ имеет промежуточное значение, т.е. 0<φ<90° электрических при отстающем токе, поскольку в составе нагрузки обычно имеются активная и индуктивная составляющие. В машинах с явно выраженными полюсами магнитная проводимость по окружности воздушного зазора не одинакова; она наибольшая по продольной оси и наименьшая по поперечной. Соответственно магнитное сопротивление по поперечной оси значительно больше магнитного сопротивления по продольной R_mq>R_md.

=F_acosφ

Характер нагрузки: токIотстает от э.д.с. Е₀ на угол φ. На рисунке ротор дан в том положении в пространстве, при котором в определенной фазе токIимеет максимальное значение, намагничивающая сила обмотки якоряF_анаправлена по оси фазы, следовательно вправо.

Действие реакции якоря следует рассматривать по продольной и поперечным осям в отдельности. Теория двух реакций синхронной машины основана на принципе раздельного рассмотрения продольного и поперечного полей и последующего их наложения без учета влияния изменения насыщения магнитной цепи.

Намагничивающая сила обмотки якоря раскладывается на продольную и поперечные составляющие:

F_d=F_asinψ,

F_q=F_acosψ,

где F_a=.

Действие составляющей F_dсведено к случаю индуктивной нагрузки (составляющаяF_d=F_asinψявляется продольной намагничивающей силой реакции якоря и, действуя размагничивающе, ослабляет поле). Действие составляющейF_qсведено к случаю чисто активной нагрузки; составляющаяF_q=F_acosψявляется поперечной намагничивающей силой реакции якоря.