книги из ГПНТБ / Брускин, Д. Э. Генераторы, возбуждаемые переменным током учеб. пособие

Этот процесс может быть представлен уравнением

Последние равенства показывают, что мощность, генерируемая статором машины, покрывается за счет мощности двух источников:

а) механической мощности, доставляемой валом; б) электрической мощности, поглощаемой обмоткой возбужде­

ния из питающей ее сети и передаваемой статору трансформатор­ ным путем.

Соотношение мощностей, доставляемых каждым источником, определяется квадратом отношения угловых частот. Последнее указывает на целесообразность применения для целей возбуждения частоты значительно меньшей, чем частота вращения.

Мощность Р0 в дальнейшем будем называть трансформаторной мощностью.

§ 2.5. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ ПРИ ТОКЕ, СОВПАДАЮЩЕМ ПО ФАЗЕ С Э. Д. С.

Выше было показано, что при токе, совпадающем по фазе с э.д.с., в статоре образуются две симметричные трехфазные системы токов — прямая и обратная. Чтобы выяснить влияние этих токов на результирующее поле электрической машины, рассмотрим вна­ чале влияние каждой системы токов на возбуждающее ее магнит­ ное поле.

Система прямых токов возбуждается под влиянием прямого магнитного поля. Скорость вращения поля прямых токов

Учитывая, что по условию Р= 1, запишем

Угловая скорость поля

30

Сопоставляя (2.60) с (2.1), находим, что поле прямых токов вращается в пространстве синхронно с прямым полем ротора. Ана­ логично можно показать, что поле обратной системы вращается синхронно с обратным полем ротора.

Следовательно, каждое поле и его систему токов можно рас­ сматривать соответственно как поле ротора синхронной машины и систему токов статора при симметричной нагрузке.

Как известно, в синхронной машине при токе, совпадающем по фазе с э.д.с. холостого хода, имеет место только поперечная реак­ ция якоря, т. е. поле, образуемое симметричной системой токов ста­ тора, располагается перпендикулярно полю ротора. В рассматри­ ваемом случае прямое и обратное поля статора тоже должны располагаться перпендикулярно соответственно прямому и обрат­ ному полям ротора.

Ранее указывалось, что токи прямые больше обратных:

(2.61)

Г Г ^обр / обр /в р /о

Вследствие этого намагничивающие силы токов будут неоди­ наковы по амплитуде, так как намагничивающие силы пропорцио­ нальны току.

Обозначая н. с. прямых Кпр и обратных Кобр токов, можем на­ писать, что

Прямое и обратное поля ротора одинаковы, но поперечные ре­ акции (прямая и обратная) неодинаковы. Поэтому прямое и об­ ратное поля ротора изменяются под влиянием реакции якоря раз­ лично.

Для удобства анализа разобьем намагничивающую силу попе­ речной реакции прямых токов на два слагаемых:

где

( 2.66)

(2.67)

31

Подставляя в (2.67) значения Fnр и F'nр согласно (2.66), (2.64), (2.63) и (2.62), находим, что

Намагничивающая сила A-Fnp вращается в пространстве со ско­ ростью (оПр, а относительно ротора — со скоростью

шпр-и)вр==и)й = 2л / 0.

Влияние этой намагничивающей силы будет рассмотрено далее. Проанализируем намагничивающие силы iF'np и F06pПри приня­ том допущении, что F'np= F06P, реактивное воздействие этих нама­ гничивающих сил на прямое и обратное поля одинаковы. Вследст­ вие этого можно утверждать, что под воздействием F'пр и F0бр потоки прямой и обратный получат одинаковые изменения. Для удобства учета влияния намагничивающих сил на поле ротора можно теперь отказаться от раздельного учета каждой реакции и рассматривать их действие совместно.

Намагничивающие силы F'пр и 7 0бр представляют собой две одинаковых круговых волны, бегущих с разными скоростями. По отношению к некоторой точке, вращающейся в пространстве по ок­ ружности ротора с угловой скоростью шВр, намагничивающие силы F'Пр и Fобр движутся с угловыми скоростями:

Следовательно, относительно некоторой точки рассматриваемые волны бегут с одинаковыми скоростями в противоположных направ­ лениях. Такие две волны можно заменить одной синусоидально распределенной и синусоидально пульсирующей волной с двойной амплитудой, но вращающейся со скоростью, равной полусумме ско­ ростей. Следовательно, результирующий поток поперечной реакции

и вращается с угловой скоростью шВр. Но ротор тоже вращается с этой же скоростью, следовательно, результирующая поперечная реакция движется синхронно с ротором и его полем.

Частота пульсации результирующей поперечной реакции равна частоте тока в роторе f0. Поле ротора создается его намагничиваю­ щей силой Fq, пульсирующей также синусоидально во времени с частотой fо.

Во времени намагничивающие силы F0 и Fq совпадают по фазе, ибо в момент, когда F0 = 0, поток Фо=0, а, следовательно, и э.д.с.,

32

и ток в статоре равны нулю. Пространственно же намагничивающие силы Fо и Fq сдвинуты на 90°. При этом северный полюс Fq оказы­ вается на половину полюсного деления впереди (по направлению вращения) северного полюса F0.

Если магнитная цепь не насыщена, то намагничивающая сила Fq не оказывает влияния на поток Ф0, сцепляющийся с обмоткой ротора. Поток Фд, создаваемый намагничивающей силой Fg, с об­ моткой ротора не сцепляется и, следовательно, на намагничиваю­ щий ток ротора не влияет (в ненасыщенной машине).

В случае, если машина насыщена, влияние Фд и Fq на поток Ф0 будет мало, ибо оба потока будут насыщать машину по взаимно перпендикулярным осям.

Обратимся теперь вновь к намагничивающей силе АЕпр. Ранее было показано, что она будет иметь постоянную амплитуду согласно (2.68) и вращаться быстрее ротора на величину coo=2jt/o- Следова­ тельно, угловая частота этой намагничивающей силы относительно ротора равна угловой частоте тока ротора. Отсюда следует важный вывод: определенным фазовым значениям намагничивающего тока ротора соответствуют строго определенные положения волны АЕпр

относительно ротора. Найдем связь между фазой намагничивающе­ го тока ротора и положением максимума AF„v. Для установления этой связи наиболее удобным моментом времени является момент, когда намагничивающий ток проходит через максимум. При этом поток ротора Ф0 тоже имеет максимум. Как известно, при разло­ жении пульсирующего потока на прямой и обратный оказывается, что в момент максимума пульсирующего потока максимумы индук­ ции прямого и обратного потоков пространственно совпадают и лежат на оси потока. Следовательно, максимумы прямой и обрат­ ной э.д.с. будут иметь место в той фазе обмотки статора, которая лежит в плоскости оси потока Фо.

Если ток совпадает по фазе с э.д.с., то в той же фазе будет иметь место в рассматриваемый момент времени максимум тока. В многофазных системах ось намагничивающей силы многофазной обмотки всегда совпадает с осью той фазы, в которой имеет место максимум тока. Таким образом, ось намагничивающей силы ДЕПр перпендикулярна в данный момент оси обмотки ротора. В момент прохождения намагничивающего тока ротора через нулевое значе­ ние ось ДЕпр совпадает с осью ротора и, следовательно, намагничи­ вает ротор в определенном направлении. При этом возникает не­ который магнитный поток АФПр, положение которого относительно ротора беспрерывно изменяется. Число потокосцеплений ротора АхЕПр = гг)оАФпр, образуемых этим потоком с обмоткой ротора, име­ ющей Доо витков, будет меняться. Вследствие этого в роторе возни­ кает э.д.с. Д£’пр, повернутая на 90° относительно э.д.с. самоиндукции ротора. Следовательно, в роторе появится еще одна составляющая тока, повернутая на 90° относительно намагничивающего тока,— активная составляющая / а0.

При рассмотрении вопроса об источниках мощности указыва­ лось, что часть мощности, генерируемой в статоре, доставляется по­

следнему трансформаторным путем. Активная составляющая тока

§2.6. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ ПРИ ЧИСТО ИНДУКТИВНОМ ТОКЕ

ВСТАТОРЕ

При чисто индуктивном токе в статоре образуются две трехфаз­ ные системы токов — прямая и обратная. При этом эффективные и амплитудные значения токов обеих систем одинаковы.

Токи отстают от своих э.д.с. на 90° и, вследствие этого, их на­ магничивающие силы оказываются, как и в обычной синхронной машине, продольно-размагничивающими по отношению к возбуж­ дающим их прямому и обратному потокам ротора.

Намагничивающие силы прямых и обратных токов одинаковы:

Намагничивающие силы движутся синхронно с прямым и об­ ратным полями ротора. Так же, как и в случае с чисто активной нагрузкой, можно две круговые волны намагничивающих сил с одинаковыми амплитудами, но с разными скоростями, заменить од­ ной синусоидально распределенной в пространстве, пульсирующей во времени синусоидально и вращающейся с полусуммой скоростей волной. Эта волна будет иметь максимум на оси обмотки ротора и размагничивать ее.

Частота пульсаций результирующей волны реакции равна час­ тоте тока возбуждения fо. Следовательно, амплитуда результирую­ щей волны продольной реакции якоря

34

Эта намагничивающая сила противостоит намагничивающей си­ ле обмотки возбуждения ротора, равной F0. При наличии Fd резуль­ тирующая намагничивающая сила, действующая по продольной оси, будет представлять собой разность F0—Fd, меньшую, чем F0. Из-за снижения результирующей намагничивающей силы умень­ шится поток возбуждения Фо на некоторую величину АФ0.

Однако приложенное к ротору, напряжение возбуждения долж­ но быть уравновешено. Вследствие этого намагничивающий ток ро­ тора возрастает до такого значения, при котором намагничиваю­ щая сила ротора F0' будет удовлетворять равенству

Следовательно, приращение намагничивающей силы ротора равно результирующей намагничивающей силе Fd, что обеспечива­ ется соответствующим приращением намагничивающего тока ро­ тора.

Таким образом, при наличии реактивной нагрузки в статоре намагничивающий ток ротора возрастает автоматически.

Найдем связь между реактивной мощностью, генерируемой ста­ тором, и мощностью, потребляемой для ее компенсации ротором.

Реактивная мощность, генерируемая статором,

Таким образом,

Найдем теперь приращение реактивного тока ротора. На осно­ вании (2.78) и (2.79) запишем

Учитывая, что ротор имеет однофазную обмотку, можно ампли­ туду его пульсирующей намагничивающей силы (первую гармони­ ку) представить равенством

При наличии же реактивной нагрузки

Из (2.81) —(2.83) найдем, что компенсирующий ток ротора

Таким образом, намагничивающая реактивная мощность, по­ требляемая ротором для компенсации реактивной мощности, гене­ рируемой статором, тем меньше, чем меньше, частота возбуждения. Если считать, что fо = 50 Гц, а /Вр = 400 Гц, то

Лм —(1/32) Р р.ст^ 0 ,0 3 Я р.ст,

что вполне приемлемо с точки зрения использования обмотки ро­ тора.

§ 2.7. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ ПРИ ЧИСТО ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКЕ

Ранее указывалось, что при чисто емкостной нагрузке в обмот­ ке статора образуются две системы трехфазных токов, каждая из которых опережает свою э.д.с. на 90°. Но, в силу того, что емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте, прямые, токи больше обратных токов. Действительно,

Каждая система токов образует свою круговую волну намагни­ чивающей силы, движущуюся в пространстве синхронно с соответ­ ствующим ей полем ротора (прямым или обратным). Поскольку и волны обусловлены емкостными токами, они действуют на поле ро-

36

тора намагничивающим образом (продольная реакция в синхрон­ ных машинах при емкостной нагрузке) и, следовательно, усили­ вают его. Вследствие неодинаковости прямых и обратных токов намагничивающее действие будет также неодинаково. Намагничи­ вающая сила обратных и прямых токов запишется соответственно:

Рассмотрим сначала влияние намагничивающей силы F06Pc и равной ей составляющей F'npc на обратное поле. Эти намагничива­ ющие силы представляют собой две одинаковые круговые волны, движущиеся в пространстве с различными скоростями. Заменим их равнодействующей, которая будет представлять собой синусои­ дально распределенную в пространстве волну намагничивающей силы, пульсирующую во времени с частотой /0 и вращающуюся со скоростью, равной полусумме скоростей ее составляющих:

Так как каждая из слагающих усиливает соответственно прямое и обратное поля ротора, то их равнодействующая будет усиливать общее поле ротора Фо.

Следовательно, на оси возбуждения ротора будет действовать согласно с намагничивающей силой ротора намагничивающая сила Fdc, что вызовет усиление поля ротора. Так как равновесие э.д.с. ротора должно быть сохранено, то ток ротора уменьшится до тако­ го значения, при котором поток полюсов примет нужное значение.

37

Если обозначить намагничивающую силу ротора при холостом хо­ де, как и раньше через F0, то намагничивающая сила ротора при нагрузке без учета AFnp с

Рассмотрим теперь влияние намагничивающей силы AFnvC, ко­ торая обгоняет ротор с угловой скоростью юПр—С1)Вр= (йо. Под дей­ ствием этой намагничивающей силы возникает дополнительное вращающееся круговое поле ЛФс, также обгоняющее ротор с угло­ вой скоростью сооОсь АЕпрС совпадает с осью обмотки возбужде­ ния при совпадении с ней осей Е'Пр и F06pc- Таким образом, дейст­ вие вращающейся намагничивающей силы на обмотку возбуждения аналогично действию намагничивающей силы Fac• Поэтому ре­ зультирующая продольная намагничивающая сила

сети индуктивный ток и будет потреблять емкостный ток.

§ 2.8. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ В ОБЩЕМ СЛУЧАЕ НАГРУЗКИ

Ранее были рассмотрены три предельных частных случая, ког­ да сопротивление цепи статора и нагрузки состоит из чистых г или L, или С. В действительности, однако, обычно имеют место режимы смешанно-индуктивной или смешанно-емкостной нагрузки. В таких случаях можно преобразовать схему нагрузки так, чтобы она состо­ яла из двух параллельных цепей. В одной из них имеется чистое г, а в другой — чистое L или С. Сообразно этому, в цепи статора воз­ никнут две системы токов: одна для ветви с г, а другая для ветви с L или С. К каждой из систем токов применимы все выводы, сде­ ланные для частных случаев.

Пользуясь известным принципом наложения, можем заключить, что при смешанной нагрузке будут иметь место одновременно как все явления, сопутствующие режимам с нагрузкой г, так и явления, сопутствующие режимам с нагрузкой L или С.

§ 2.9. ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА РОТОРА

На рис. 2.1 представлена векторная диаграмма для ротора ге­ нератора при чисто активной нагрузке в статоре. Здесь Фо — рабо­ чий поток ротора; Ер— э.д.с., наведенная в роторе пульсациями по­ тока Ф0; /,10 и /цо — соответственно намагничивающий ток при хо­ лостом ходе и активная составляющая тока холостого хода, иду-

38

щая на покрытие потерь в стали; /хх— ток холостого хода; /а о — активная составляющая тока ротора, которая доставляет в ротор мощность, передаваемую статору трансформаторным путем [см. (2.72)]; /о — результирующий ток ротора; 1йгй и IqX0— падения на­ пряжения в активном и реактивном сопротивлениях ротора; Uо — напряжение на кольцах ротора.

На рис. 2.2 представлена диаграмма при работе на чистую ин­ дуктивную нагрузку L. Здесь — реактивная составляющая тока ротора, компенсирующая продольную реакцию индуктивной на­ грузки.

На рис. 2.3 представлена диаграмма для случая смешанной ин­ дуктивной нагрузки.

На рис. 2.4 представлена диаграмма для чисто емкостной на­ грузки. Здесь lac — ток, компенсирующий намагничивающее дейст­ вие продольной реакции емкостной нагрузки. Этот ток может быть найден из равенства (2.101):

Подставляя в (2.103) значение F06pc согласно (2.92), получим намагничивающую силу

39