Робочий процес синхронного генератора Холостий хід.

П ри холостому ході, коли обмотка якоря розімкнена, магнітне поле машини створюється тільки обмоткою збудження. Оскільки ЕРС Е₀, що наводиться в обмотці якоря, змінюється у часі згідно із законом синуса, то потік збудження Ф_зб і індуковану ним ЕРС Е₀ можна зображати за допомогою векторів. Діюче значення фазної ЕРС визначається за формулою

де k – обмотувальний коефіцієнт;

w – число витків однієї фази обмотки статора;

с – коефіцієнт, постійний для даної машини.

При постійній швидкості обертання ротора і відсутності навантаження, тобто при режимі холостого ходу, ЕРС генератора залежить тільки від магнітного потоку Ф_зб, а отже, тільки від струму збудження І_зб. Змінюючи напругу U_зб на клемах обмотки збудження, можна змінювати струм збудження і тим самим регулювати магнітний потік Ф_зб і ЕРС Е₀ генератора. На мал. представлена залежність ЕРС генератора від струму збудження Е₀(І_зб) при номінальній швидкості обертання . Ця залежність називається характеристикою холостого ходу. Форма характеристики, що нагадує форму кривої намагнічу­вання, обумовлена явищем насичення магнітної системи (відсутністю пропорціональності між магнітним потоком Ф_зб і струмом збудження І_зб).

Надалі для простоти будемо розглядати процеси, що відбуваються в двополюсних синхронних машинах з циліндричним ротором¹ і ненасиченою магнітною системою, тобто будемо вважати, що Е₀ пропорційна струму збудження машини.

Реакція якоря.

У навантаженому генераторі синусоїдальні струми, що протікають в трифазній обмотці статора, утворять при постійному навантаженні незмінний по величині магнітний потік Ф_Я, що обертається синхронно з потоком ротора Ф_зб.

Так само, як в асинхронній машині, три нерухомі обмотки статора, по яких протікає трифазний струм, по своїй дії еквівалентні постійній намагнічуючій силі, що обертається в просторі з швидкістю n₀. Отже, на відміну від режиму холостого ходу, в навантаженій синхронній машині при незмінному струмі збудження і постійному навантаженні одночасно діють дві постійні по величині намагнічуючі сили (НС): НС обмотки збудження F_зб і НС обмотки якоря F_Я. Ці сили, що намагнічують створюють результуючу НС – F_РЕЗ, яка визначає реально існуючий в м ашині загальний магнітний потік Ф. Цей потік, що обертається з синхронною швидкістю n₀, індукує в нерухомій обмотці якоря синусоїдальну ЕРС Е_РЕЗ (в обмотці ротора магнітний потік не індукує ЕРС).

Для аналізу процесів, що відбуваються в навантаженій синхронній машині, зручно вважати, що кожна з намагнічуючих сил F_зб і F_Я створює свій магнітний потік, що індукує ЕРС в обмотці якоря.

Дія НС обмотки якоря на основний магнітний потік і загалом на режим роботи навантаженої машини називають реакцією якоря.

Щ об визначити вплив НС якоря F_Я на основний магнітний потік машини, необхідно знайти взаємне розташування осей потоків Ф_Я і Ф_зб при різних характерах навантаження генератора. При цьому потрібно врахувати, що ЕРС, що індукується потоком Ф_зб в однієї з фаз обмотки статора, досягає максимуму в той момент, коли провідники цієї фази знаходяться під серединою полюса ротора (рис. а).

Вісь потоку якоря Ф_Я, як відомо, співпадає з віссю обмотки тієї фази, де струм І досягає максимуму. Тому при аналізі зручно визначити взаємне розташування осей потоків Ф_зб і Ф_Я в момент часу, коли струм в якій-небудь з фаз статора (наприклад, АХ) досягає максимального значення.

При чисто індуктивному навантаженні струм відстає по фазі від ЕРС на чверть періоду ( = + 90°) і досягає максимуму (І_m) в момент, коли полюс N ротора піде уперед на чверть оберту (рис. б) від положення, вказаного на рис. а. В цьому випадку потік якоря Ф_Я направлений проти потоку ротора Ф_зб і, отже, чинить на нього розмагнічуючу дію.

П ри чисто ємкісному навантаженні струм випереджає по фазі ЕРС на чверть періоду ( = – 90°) і досягає максимального значення (І_m), коли полюс N ротора не доходить на 90° (рис. в) до положення, вказаного на рис. а. В цьому випадку потік якоря Ф_Я співпадає по напрямку з потоком ротора Ф_В тобто чинить на нього намагнічуючу дію.

Я к при чисто індуктивному, так і при чисто ємкісному навантаженню взаємодія провідників ротора з магнітним потоком статора не створює гальмівного моменту на валу машини, незважаючи на те, що на кожного провідника ротора діє електромагнітна сила (рис. б і в). Це пояснюється тим, що електромагнітні сили, що діють за годинниковою стрілкою, урівноважуються протилежно направленими електромагнітними силами (в цьому можна пересвідчитися, застосувавши правило лівої руки до всіх провідників обмотки ротора)¹. Потужність, що витрачається первинним двигуном при чисто реактивному навантаженні, мала і визначається тільки втратами в генераторі.

Якщо струм співпадає за фазою з ЕРС , то він досягає максимуму в момент, коли вісь поля ротора співпадає з плоскістю АХ (рис. г). Електромагнітні сили, що діють на всі провідники обмотки ротора, виявляються узгодженими і спільно створюють гальмівний момент, що долається первинним двигуном генератора.

Вище були розглянуті граничні випадки, коли струм і ЕРС або співпадають за фазою, або були зсунуті на кут  =  90°. В практичних умовах струм якоря відстає за фазою від ЕРС на кут  (0 <  < 90°). Тут струм можна розглядати як такий, що складається з двох складових: 1) активної складової I·cos , що зумовлює механічну реакцію в вигляді електромагнітного гальмівного моменту на валу, 2) реактивної складової I·sin , що спричиняє магнітну реакцію, тобто що послаблює основний магнітний потік машини.