9. Магнитное поле обмотки якоря синхронной машины

При работе под нагрузкой магнитное поле в зазоре синхронной машины создается МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря. Основную роль в процессе преобразования энергии играет основная гармоническая индукции поля в зазоре, которую называют полем взаимной индукции. Точный расчет этого поля с учетом насыщения магнитной цепи и конструктивного исполнения ротора является весьма сложной задачей.

Поэтому при допущении о бесконечно большой проницаемости стальных участков поле взаимной индукции может быть представлено как сумма основных гармонических полей созданных МДС обмотки возбуждения и основной гармонической МДС обмотки якоря.

Магнитное поле обмотки якоря можно представить в виде суммы двух полей, созданных продольной составляющей МДС обмотки F_d, ось которой совпадает с осью полюса d, и поперечной составляющей F_q, ось которой совпадает с осью межполюсного пространства:

Продольная и поперечная составляющие тока якоря:

где ψ – угол между ЭДС E_f и током якоря I.

В зависимости от режима нагрузки продольная система токов I_1d может быть намагничивающей (рис. 24.52, в) или размагничивающей.

Поле от продольной составляющей МДС якоря характеризуется коэффициентом формы поля по продольной оси, который равен отношению основной гармоники индукции от продольной МДС к амплитуде индукции от этой МДС:

.

Поле от поперечной составляющей МДС якоря характеризуется коэффициентом формы поля по поперечной оси, который равен отношению основной гармоники индукции от поперечной МДС якоря к амплитуде индукции от этой МДС:

.

Для неявнополюсной машины:

.

Магнитодвижущая сила обмотки якоря F_a, ее продольная и поперечная составляющие F_d, F_q отличаются по форме от МДС обмотки возбуждения F_f. Магнитодвижущая сила якоря распределена по поверхности якоря синусоидально; распределение МДС возбуждения значительно отличается от синусоидального. Это затрудняет сложение МДС якоря и МДС возбуждения при расчете режимов работы машины. Поэтому для упрощения расчетов синусоидальные МДС якоря заменяются эквивалентными МДС обмотки возбуждения, определенными из условия сохранения основных гармонических индукции в зазоре и ЭДС обмотки якоря.

МДС обмотки возбуждения, эквивалентная МДС обмотки якоря по продольной оси:

где — коэффициент реакции по продольной оси.

МДС обмотки возбуждения, эквивалентная МДС обмотки якоря по поперечной оси:

где — коэффициент реакции по поперечной оси.

Обычно , .

Для неявнополюсной машины МДС обмотки якоря, эквивалентная МДС обмотки возбуждения:

где — коэффициент формы поля возбуждения.

10. Реакция якоря синхронного генератора

Воздействие магнитного поля обмотки якоря, на магнитное поле созданное обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Действие реакции якоря зависит от характера нагрузки: активной ( ), индуктивной ( ), емкостной ( ) или смешанной ( или ).

Рассмотрим реакцию якоря на примере однофазного двухполюсного синхронного генератора.

Ток обмотки возбуждения создает магнитный поток Ф_f, который направлен по продольной оси полюса d (определяется по правилу буравчика). Этот поток, вращаясь с синхронной частотой вместе с ротором, индуктирует в обмотке якоря ЭДС Е_f, вектор которой отстает на периода от вектора потока Ф_f . Под действием ЭДС Е_f по обмотке якоря и нагрузке генератора протекает ток якоря .

При активной нагрузке, ток в обмотке якоря совпадает по фазе с ЭДС . Векторная диаграмма потоков и ЭДС имеет следующий вид:

Поток реакции якоря Ф_а  направлен перпендикулярно потоку возбуждения - имеет место поперечная реакция якоря. Поперечная реакция якоря приводит к искажению результирующего поля машины. Магнитное поле ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса. Результирующий магнитный поток машины уменьшается. Это ведет к уменьшению ЭДС.

Максимальное значение тока и потока Ф_а  будет соответствовать максимальной ЭДС Е_f , когда стороны секции обмотки якоря находятся посередине полюса, что соответствует вертикальному расположению ротора.

При индуктивной нагрузке, ток статора отстает от ЭДС по фазе на 90⁰.

Поток реакции якоря направлен вдоль оси полюса ротора противоположно основному потоку . Поток якоря ослабляет поле машины и реакция якоря оказывает продольно-размагничивающее действие.

Когда ток статора достигнет максимума, ротор успеет дополнительно провернуться на 90⁰ относительно оси обмотки якоря.

При емкостной нагрузке, ток статора опережает ЭДС на 90⁰.

Потоки статора и обмотки возбуждения будут совпадать. Магнитное поле машины усиливается, реакция якоря — продольно-намагничивающая.

Ток будет максимальным тогда, когда ротор еще не довернется до вертикального положения на 90⁰.

При смешанной активно-индуктивной нагрузке ( ), ротор успеет повернуться на некоторый угол ψ прежде, чем ток статора достигнет максимума (рис. 6.8). Из векторной диаграммы МДС видно, что вектор МДС реакции якоря отстает от ЭДС на угол  ψ.

Разложим МДС реакции якоря на составляющие по продольной и поперечной осям машины.

;

При активно-индуктивной нагрузке продольная составляющая реакции якоря направлена  встречно, а при активно-емкостной согласно основному магнитному потоку.