2. Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0и якоряF₁, при этом МДС якоря воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму.

Воздействие МДС обмотки якоря на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС Е₀, индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДСF_в0) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статораI₁, то он может занимать по отношению к векторуЕ₀различные положения, определяемые углом₁, в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка (₁ = 0).На рис. 20.5, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДСЕ₀в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузкесовпадаетпо фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статораF₁ направлена перпендикулярно МДС возбужденияF_в0. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генератоpaпроводим вектор МДС возбужденияF_в0; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДСЕ₀, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статораI₁ совпадает по фазе с ЭДСЕ₀, а поэтому вектор МДСF₁, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектораF_в0на 90°.

Рис. 20.5. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а),

Индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Такое воздействие МДС якоря F₁на МДС возбужденияF_в0вызовет искажения результирующего поля машины:магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса(рис. 20.6).

Рис. 20.6. Магнитное поле синхронного генератора при активной нагрузке

Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т.е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е₁.

Индуктивная нагрузка (₁ = 90°).При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статораI₁отстаетпо фазе от ЭДСЕ₀на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДСЕ₀(см. рис. 20.5, б). При этом МДСF₁действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбужденияF_в0. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F₁ ослабляет поле машины. Следовательно,реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка (₁ = -90°).Так как токI₁при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДСЕ₀на 90°, то своего наибольшего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т.е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 20.5, в. Магнитодвижущая сила статораF₁так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбужденияF_в0.

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

Смешанная нагрузка. При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статораI₁, сдвинут по фазе относительно ЭДСЕ₀на угол₁, значения которого находятся в пределах 0 <₁ < ±90° . Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диаграммами МДС, представленными на рис. 20.7.

Рис. 20.7. Реакция якоря при смешанной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 20.7, а)векторF₁, отстает от вектораЕ₀на угол 0<₁ <90° . Разложим векторF₁на две составляющие: продольную составляющую МДС статораF_1d=F₁sin₁, и поперечную составляющую МДС статораF_1q=F₁cos₁. Такое же разложение МДС якоряF₁на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис.20.7, б). Поперечная составляющая МДС статораF_1q, представляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузкиIq = I₁ cos₁ , т.е.

F_1q= F₁cos₁ (20.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F_1d, представляющая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузкиId = I₁sin ₁,т.е.

F_1d= F₁sin₁, (20.14)

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС Е₀(нагрузка активно-индуктивная), то МДСF_1dразмагничивает генератор, если же реактивная составляющая токаI_dопережает по фазе ЭДСЕ₀(нагрузка активно-емкостная), то МДСF_1dподмагничивает генератор.

Направление вектора F_1dотносительно вектораF_в0 определяется характером реакции якоря, который при токе нагрузкиI₁, отстающемпо фазе от ЭДСЕ₀, является размагничивающим, а при токеI₁,опережающемпо фазе ЭДСЕ₀, - подмагничивающим.