Работа генератора под нагрузкой

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме при симметричной нагрузке, т. е. когда к фазам обмотки статора подключены равные и однородные сопротивления. 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, как это было показано выше, частоте вращения ротора п₂. Следовательно, магнитные потоки якоря Ф_а и возбуждения Ф_в будут взаимно неподвижны, и результи­рующий поток машины Ф_рез при нагрузке будет создаваться суммарным действием МДС F_B обмотки возбуждения и МДС F_a обмотки якоря. В синхронной машине МДС обмотки воз­буждения не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в режиме нагрузки будет суще­ственно отличаться от потока при холостом ходе. МДС обмот­ки якоря в зависимости от характера нагрузки может быть размагничивающим и намагничивающим.

Влияние МДС якоря на магнитное поле синхронной маши­ны называют реакцией якоря. Поскольку 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 особен­ностей машины: величины МДС обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и т. д.

В неявнополюсной машине величина воздушного зазора между статором и ротором по всей окружности остается не­изменной, поэтому результирующий магнитный поток машины и создаваемая им ЭДС при любой нагрузке могут быть опре­делены по характеристике холостого хода исходя из результи­рующей МДС.

Реакция якоря влияет на рабочие свойства синхронной машины, причем это влияние зависит от характера нагрузки, который определяет различные углы сдвига фаз ψ между ЭДС и током в обмотке якоря.

Рис. 4.8. Распределение магнитных потоков в неявнополюсной машине при активной, индуктивной и емкостной нагрузках

При активной нагрузке ψ= 0 (рис. 4.8,а) ток в фазе дости­гает максимума в момент времени, когда оси полюсов N и S ротора совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки, а поток якоря Ф_а действует в направлении, перпенди­кулярном действию потока возбуждения Ф_в (поперек оси по­люсов). Следовательно, при ψ = О поток якоря действует по поперечной оси машины, размагничивая одну половину каждо­го полюса и подмагничивая другую. Вектор Ф_а отстает от вектора Ф_в на 90°. При этом модуль вектора результирую­щего потока определяется выражением:

Если нагрузка индуктивная = 90°), то ток в фазе дости­гает максимума на четверть периода позднее момента, соот­ветствующего максимуму ЭДС Е₀. При этом поток якоря Ф_а действует по продольной оси машины против потока возбуж­дения Ф_к(рис. 4.8,6). Результирующий поток машины сильно уменьшается, поскольку:

Ф_рез = - Ф_а .

По этой причине уменьшается и ЭДС якоря Е. Таким обра­зом, при ψ= 90° реакция якоря действует на машину размагни­чивающим образом.

Если нагрузка емкостная (ψ = -90°), то поток якоря также действует по продольной оси машины, но при этом совпадает по направлению с потоком возбуждения:

Фрез = + Фа.

Следовательно, при емкостной нагрузке (ψ = -90°), поток реакции якоря подмагничивает синхронную машину, ее ре­зультирующий поток увеличивается, отчего увеличивается и величина ЭДС.

Выводы, полученные на основании рассмотренных трех частных случаев, можно распространить и на произвольный характер нагрузки, когда -90° < ψ< 90°. При этом очевидно, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка)раз­магничивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка)подмагничивает ее.

При работе генератора под нагрузкой его суммарная ЭДС Е складывается из ЭДС: наводимой потоком ротора Е₀ и ЭДС, наводимой потоком реакции якоря Е_а:

Ē=Ē₀+Ē_а. (4.4)

ЭДС Е_а пропорциональна потоку Ф_а, а при отсутствии на­сыщения и току статора I_а, поэтому ее можно рассматривать как ЭДС самоиндукции, индуктированную в обмотке якоря:

, где Х_а — индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком якоря.

В явнополюсной машине реакция якоря проявляется сле­дующим образом. 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 величины МДС якоря Е_а, но и от положе­ния кривой распределения этой МДС относительно полюсов ротора, так как одна и та же МДС якоря в зависимости от ее пространственного положения создает различные магнитные потоки.

При активной нагрузке (угол ψ= 0), когда поток реакции якоря направлен вдоль поперечной оси машины, кривая рас­пределения индукции В_а = В_aq имеет седлообразную форму, хотя МДС якоря F_a распределена синусоидально (рис. 4.9,а). При этом максимуму МДС F_a соответствует небольшая индук­ция, поскольку магнитное сопротивление воздушного зазора максимально.

При индуктивной нагрузке (угол ψ = 90°), когда поток яко­ря направлен по продольной оси машины, кривая распределе­ния индукции В_а = В_ad расположена симметрично относитель­но оси полюсов d-d. При этом же значении МДС F_a индукция имеет большую величину, чем при ψ= 0, так как магнитное сопротивление воздушного зазора в данном месте невелико (рис. 4.9,б). Различные максимальные значения будут иметь и первые гармоники индукций В_ad1 и В_aq1 указанных кривых.

Рис. 4.9. МДС якоря и создаваемые ими магнитные индукции при активной (а) и индуктивной (б) нагрузках

Метод двух реакций. Изменение результирующего со­противления воздушного зазора при различных режимах ра­боты машины вызывает трудности при анализе работы явно- полюсной синхронной машины. Для их преодоления исполь­зуют метод двух реакций. В соответствии с этим методом МДС якоря F_a представляют в виде суммы двух составляющих: продольной F_ad = F_a sinψ и поперечной F_aq = F_a cosψ, причем:

(4.5)

Продольная составляющая МДС F_ad создает продольный поток якоря F_ad, индуктирующий в обмотке якоря ЭДС F_ad, а поперечная составляющая F_ad — поперечный поток Ф_аq, ин­дуктирующий ЭДС F_ad. При этом принимают, что эти потоки не оказывают влияния друг на друга.

В соответствии с методом двух реакций ток якоря создаю­щий МДС F_a, также представляют в виде двух составляющих: продольной I_d и поперечной I_q. Величину магнитных потоков Ф_ad и Ф_аq и индуктируемых ими ЭДС F_ad и E_aq можно опреде­лить по кривой намагничивания машины. Однако кривая на­магничивания строится для МДС возбуждения, имеющей не синусоидальное, а прямоугольное распределение вдоль ок­ружности якоря.

Чтобы воспользоваться указанной кривой, МДС F_ad и F_aq следует привести к прямоугольной МДС возбуждения F_в, т. е. найти их эквивалентные значения F’_ad и F’_aq. Для этого необходимо эти значения умножить на коэффициенты реакции якоря k_d и k_q:

; . (4.6)

Коэффициенты k_d и k_q физически характеризуют уменьше­ние магнитного сопротивления для потока Ф_в по сравнению с потоками Ф_ad и Ф_аq. Коэффициенты находятся в пределах k_d= 0,8...0,95; k_q = 0,3...0,65.

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

. (4.7)

ЭДС Е при работе генератора с явновыраженными полю­сами под нагрузкой можно представить как сумму состав­ляющих:

. (4.8)

ЭДС E_ad и E_aq, индуктируемые продольным и поперечным потоками якоря, представляют собой по существу ЭДС самоин­дукции, так как потоки Ф_ad и Ф_аq создаются МДС F_ad и F_aq, пропорциональными токам I_d и l_q. Поэтому для ненасыщенной машины можно считать, что:

; (4.9)

где X_ad и Х_ad — индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответствующие полям продольной и поперечной реакции якоря