3. 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. 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, а ось, перпендикулярную ей, — поперечной. Ориентация поля якоря в простран­стве зависит от распределения тока в проводниках его об­мотки, что в свою очередь определяется углом сдвига этого 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.

На рис. 5 показан поперечный разрез двухполюсного синхронного 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, изображенного на рис. 6, 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. 5. Реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке (ФB — поток возбуждения; Фα – поток якоря)

Рис. 6. Векторная диаграмма синхронного генератора для момента времени, изображенного на рис. 5

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, изображенного на рис. 5, 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.

На рис. 6 показана векторная диаграмма ЭДС и то­ков. Величину и направление мгновенные значения токов в фазах и их направление определяют, проектируя векторы токов I_A, I_B, I_С на вертикальную ось. Исходя из этого, на рис. 5 внутри проводников показано направление токов в фазах. Как следует из рис. 5 и 6, 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. 5. По отно­шению к оси полюсов оно является продольным и направ­лено навстречу полю возбуждения. Таким образом, при индуктивной нагрузке в синхронном генераторе возникает продольная размагничивающая реакция якоря вследствие чего результирующий поток и индуцированная в обмотке якоря ЭДС будут меньше, чем при холостом ходе.

Если, использовав правило левой руки по рис. 5, 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 соответствую­щие ЭДС на угол ψ=-π/2. На, рис. 7 дан поперечный разрез синхронного генератора, соответствующий тому же моменту времени, что и на рис. 5. На нем согласно век­торной диаграмме (рис. 8) 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.

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

Рис. 7. Реакция якоря при чисто емкостной нагрузке

Рис. 8. Векторная диаграм­ма синхронного генератора для момента времени, изображенного на рис. 7

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

Разрез машины и векторная диаграмма для рассматри­ваемого случая показаны на рис. 9, 10. 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 ненасыщенна, и будет несколько уменьшать его в насы­щенной машине. Таким образом, при нагрузке, когда ψ=0, возникает поперечная реакция якоря, искажающая магнит­ное поле в зазоре машины. Для данного случая электромаг­нитные силы, создаваемые током, протекающим по проводникам обмотки статора, на­правлены в одну и ту же сто­рону, совпадающую с на­правлением вращения рото­ра.

Р ис. 9. Реакция якоря при ψ=0

→

Рис. 10. Векторная диаграм­ма синхронного генератора для момента времени, изображенно­го на рис. 9

Рис. 11. Разложение тока I на продольную I_d и поперечную I_q составляющие

Поскольку эти проводни­ки вместе со статором неподвижны, то возникает реакция на ротор, направленная в сторону, противоположную его вращению. Таким образом, при ψ=0 электромагнитные силы в генераторе будут соз­давать тормозной момент, действующий на ротор.

В общем случае, когда 0<|ψ|<90°, ток I можно раз­ложить на две составляющие (рис. 11).

Одна из этих составляющих I_q совпадает по фазе с ЭДС, создает поперечную реакцию якоря и носит название поперечного тока якоря. Другая составляющая I_α. пер­пендикулярна ЭДС, создает продольную реакцию якоря и носит название продольного тока якоря. Таким об­разом, в общем случае в машине при нагрузке будет суще­ствовать как продольная, так и поперечная реакция якоря.