РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ

Реакция якоря

Если одиночный трехфазный синхронный генератор подключить к симметричной нагрузке, то по фазам обмотки якоря будут протекать равные, но сдвинутые относительно друг друга на электрический угол, равный 120°, токи. Эти токи создадут вращающееся магнитное поле. Как показано в гл. 1, поле якоря перемещается в пространстве с той же частотой вращения и в ту же сторону, что и поле возбуждения, т. е. по отношению друг к другу эти поля будут неподвижны. Результирующее поле машины при нагрузке будет создаваться совместным действием МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря. Оно будет отличаться от поля при холостом ходе.

Воздействие МДС якоря на поле машины называется реакцией якоря. Характер этого воздействия зависит от взаимного расположения в пространстве полей возбуждения и якоря. Поле возбуждения всегда направлено по оси полюсов и обусловливает ЭДС в проводниках обмотки якоря. Принято ось, совпадающую с осью полюсов, называть продольной осью машины d, а ось, перпендикулярную ей, — поперечной q. Ориентация поля якоря в пространстве зависит от распределения тока в проводниках его обмотки, что в свою очередь определяется углом сдвига тока от индуцируемой ЭДС. В дальнейшем этот угол сдвига будем обозначать буквой ψ. Угол ψ изменяется от π/2 до - π/2 и зависит от характера нагрузки генератора.

Рассмотрим с качественной стороны проявление реакции якоря в трех крайних случаях.

Токи в фазах отстают от соответствующих ЭДС на угол ψ=π/2. Если пренебречь относительно малым активным сопротивлением фазы якоря, то можно считать, что такому углу соответствует индуктивный характер нагрузки.

Рис. 2.1. Реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке (Фв – поток возбуждения; Фа – поток якоря)

На рис. 2.1 показан поперечный разрез двухполюсного генератора. Для упрощения обмотка каждой фазы представлена одновитковой катушкой с диаметральным шагом. Будем считать, что магнитное поле полюсов имеет синусоидальный характер. При вращении ротора в обмотках фаз якоря наводятся ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки. Для момента времени, на рис. 2.1, направление этих ЭДС показано значками: крестик и точка вне пределов проводника. Максимальная ЭДС будет индуцироваться в проводниках фазы А, расположенных под серединами полюсов, где индукция имеет максимальное значение.

Рис. 2.2. Векторная диаграмма синхронного генератора для момента времени, изображённого на рис. 2.1.

На рис.2.2 показана векторная диаграмма ЭДС и токов. Величину и направление мгновенных значений токов в фазах и их направление определяют, проектируя векторы токов I_А, I_В, I_С на вертикальную ось. Исходя из этого, на рис. 2.1 внутри проводников показано направление токов в фазах. Как следует из рис. 2.1 и 2.2, ток в фазе А в рассматриваемый момент времени равен нулю, а в фазах В и С токи равны, но противоположны по направлению. Эти токи создают магнитное поле, направление которого, определенное по правилу буравчика, показано на рис. 2.1. По отношению к оси полюсов оно являемся продольным и направлено навстречу полю возбуждения. Таким образом, при индуктивной нагрузке в синхронном генераторе возникает продольная размагничивающая реакция якоря вследствие результирующий поток и индуцированная в обмотке якоря ЭДС будут меньше, чем при холостом ходе.

Если, использовав правило левой руки по рис. 2.1, определить направление сил f, действующих на проводники якоря, то можно установить, что на проводники, расположенные под одним и тем же полюсом, действуют силы, направленные в противоположные стороны, и результирующий электромагнитный момент машины будет равен нулю. Таким образом, при продольной реакции якоря в синхронном генераторе не создается электромагнитного момента.

Емкостная нагрузка. Токи фаз опережают соответствующую ЭДС на угол ψ= - π/2. На рис. 2.3 дан поперечный разрез синхронного генератора, соответствующий тому же моменту времени, что и на рис. 2.1. На нем согласно векторной диаграмме (рис. 2.4) показано направление токов в проводниках обмотки якоря. В рассматриваемом случае распределение тока по проводникам якоря сохраняется таким же, как и при индуктивной нагрузке, но изменяется на противоположное направление тока в фазах В и С. В соответствии с этим поле якоря по отношению к оси полюсов будет также продольным, но оно будет оказывать намагничивающее действие на поле возбуждения. Следовательно, при емкостной нагрузке реакция якоря в синхронном генераторе будет продольной и намагничивающей.

Рис. 2.3. Реакция якоря при чисто емкостной нагрузке

Рис. 2.4. Векторная диаграмма синхронного генератора для момента времени, изображённого на рис. 2.3

По аналогии с предыдущим случаем можно показать, что при емкостной нагрузке не создается электромагнитный момент.

Нагрузка, соответствующая ψ =0. В этом случае токи фаз будут совпадать с индуцированными в них ЭДС. Для этого синхронный генератор должен быть нагружен не на активную, а на активно-емкостную нагрузку Z_нг=r_нг -jx_Cнг.

Емкостное сопротивление x_Cнгдолжно быть подобрано так, чтобы оно компенсировало индуктивное сопротивление фазы обмотки якоря.

Разрез машины и векторная диаграмма для рассматриваемого случая показаны на рис. 2.5, 2.6. Максимальный ток будет в фазе А,где в данный момент ЭДС также максимальна. В фазах В и С токи в 2 раза меньше, чем в фазе А, и противоположно направлены току в фазе А.

Магнитное поле, созданное токами якоря, по отношению к оси полюсов, является поперечным. Оно будет ослаблять поле на набегающей половине полюса и усиливать его на сбегающей половине полюса.

Поперечное поле якоря не изменяет потока, если машина не насыщена, и будет несколько уменьшать его в насыщенной машине.

Рис. 2.5 Реакция якоря при ψ=0