Режим нагрузки синхронного генератора

Режим холостого хода синхронного генератора

Генератор возбужден и вращается с синхронной скоростью n. Магнитное поле возбуждения Ф_в индуктирует в обмотке якоря симметричную трехфазную ЭДС. Направление этой ЭДС в фазах обмотки якоря определяется по правилу “правой руки” и показано на рис. 3.1: (+) от наблюдателя, (·) к наблюдателю. Следует помнить, что правило “правой руки” справедливо для неподвижного поля, поэтому при определении направления ЭДС индуктор был мысленно заторможен, а проводники якоря вращались в обратном направлении.

Поскольку цепь якоря разомкнута в ней тока нет, и поэтому никаких других электромагнитных процессов в генераторе не происходит.

Рис. 3.1. Режим холостого хода возбужденного синхронного генератора (в проводниках якоря показаны направления ЭДС и тока)

Режим нагрузки синхронного генератора

При подключении возбужденного генератора на симметричную 3х-фазную нагрузку,в обмотке якоря появится ток I, который создаст свое магнитное поле. Это поле называют – полем реакции якоря и обозначают Ф_а. В установившемся режиме работы поле реакции якоря постоянно по амплитуде, вращается относительно якоря с синхронной скоростью и поэтому неподвижно относительно ротора.

Когда была построена теория синхронных машин, выяснилась решающая роль магнитного поля реакции якоря на параметры машины и на работу всей энергосистемы. Поэтому рассмотрим физические процессы, связанные с реакцией якоря подробнее. Для построения теории вводится система координат d-q неподвижная относительно индуктора, и говорят о продольной - d и поперечной - q оси синхронной машины.

Реакция якоря синхронной машины.В установившемся режиме поле реакции якоря и индуктор неподвижны относительно друг друга. Однако взаимное расположение поля реакции якоря и индуктора зависит от характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная или смешанная), и этот факт имеет важнейшее значение для понимания энергетических процессов в синхронной машине. Покажем это.

Чисто активная нагрузка(рис. 3.2).При чисто активной нагрузке ток якоря совпадает по фазе с ЭДС. Это означает, что во всех проводниках якоря Е и Iбудут иметь одинаковое направление. На рис. 3.2 это иллюстрируется на векторной диаграмме и на осцилограмме. По направлению ЭДС в проводниках определим направления токов. Токи в верхней половине якоря направлены (+), в нижней половине направлены (·) и согласно “правилу буравчика” такая система токов создает поле реакции Ф_а направленное перпендикулярно полю возбуждения Ф_в. Таким образом чисто активный ток якоря создает поперечную реакцию Ф_а=Ф_q.

Рассматривая установившийся режим синхронной машины, следует помнить, что вся картина распределения ЭДС и токов, индуктор и магнитные поля вращается относительно статора с синхронной скоростью nи неподвижна относительно индуктора. Это означает что электромагнитные процессы протекают только в якоре, а в индукторе их по прежнему нет.

Рис. 3.2. Положение магнитных полей возбуждения и реакции якоря при чисто активной нагрузке

Чисто индуктивная нагрузка.При такой нагрузке ток I отстает от ЭДС на 90 эл. градусов. При положении индуктора показанном на рисунке 3.3 ЭДС в проводнике А максимальна и направлена (+), тогда максимальное значение тока I с направлением (+) будет в проводнике отстающем от А на 90 эл. градусов (на рисунке он не показан) а также в проводниках С и Y.

Рис. 3.3. Положение магнитных полей возбуждения и реакции якоря при индуктивной нагрузке

Направления токов в остальных проводниках также показаны на рис. 3.3. Полученная система токов в обмотке якоря создает магнитное поле Ф_а направленное навстречу полю возбуждения и таким образом размагничивает генератор. Таким образом чисто индуктивный ток создает продольную размагничивающую реакцию якоря Ф_а=-Ф_d.

Вывод о размагничивании машины полностью соответствует физическим представлениям об индуктивной нагрузке. Как известно, индуктивная нагрузка, например, катушка индуктивности, потребляет реактивную мощность, которая идет на создание в ней магнитного поля. Ровно такую реактивную мощность генератор теряет за счет размагничивания.

Чисто емкостная нагрузка. При такой нагрузке ток I опережает ЭДС на 90 эл. градусов и поэтому распределение токов в витках обмотки якоря будет таким как показано на рис. 3.4. Полученная система токов в обмотке якоря создает магнитное поле Ф_а направленное согласно с полем возбуждения, в результате чего генератор намагничивается. Чисто емкостный ток создает продольную намагничивающую реакцию якоря Ф_а=+Ф_q.

Полученная картина токов и полей также соответствует физическим представлениям о емкостной нагрузке. Емкость, как известно, является источником реактивной мощности, которую генератор и потребляет, при этом намагничиваясь.

Рис. 3.4. Положение магнитных полей возбуждения и реакции якоря при емкостной нагрузке

Смешанная нагрузка (рис.3.5). В качестве примера рассмотрим активно-индуктивную нагрузку, при которой ток якоря отстает от ЭДС на угол . Ток I и созданный им магнитный поток Ф_аформально можно разложить на оси, получим токи I_d, I_q.

Рис. 3.5. Реакция якоря при смешанной нагрузке

Разложению тока I можно дать следующее толкование. Реальная обмотка якоря с током I заменяется двумя фиктивными обмотками неподвижными относительно индуктора по которым протекают токи I_d, I_q и которые создают свои магнитные поля Ф_ad , Ф_aq _.Эти поля индуктируют в обмотке якоря соответствующие электродвижущие силы Е_ad , Е_aq