Противодействующий момент

При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора по обмоткам статора протекает ток, который так же, как у асинхронной машины создает свое магнитное поле, вращающееся с частотой n₀, пропорциональной частоте f. Однако в этом случае магнитное поле ротора направлено вдоль его оси, поэтомускорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Магнитные полюса статора синхронного генератора отстают от соответствующих полюсов ротора на угол (рис. 2). В результате взаимодействия противоположных полюсов на ротор действует тормозной моментМ_т =M₀sin ,направленный против вращения (М_ПД– момент, создаваемый приводным двигателем). В установившемся режимеМ_т=М_ПД.

Реакция якоря в синхронной машине

Реакция якоря – это воздействие поля якоря на магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины. Максимальное значение ЭДС наводится в проводниках обмотки статора, расположенных против магнитных полюсов ротора.

При активной нагрузке ЭДС фазы обмотки статора и ее ток совпадают по фазе. В этом случае максимальные величины ЭДС и тока будут в проводниках обмотки статора, расположенных против магнитных полюсов ротора, а магнитный поток статора (якоря) Ф_Ябудет перпендикулярен оси ротора (рис. 2; 3,а). При этом результирующий магнитный поток машиныФ_резповорачивается относительно потока ротораФ₀на уголв направлении, противоположном направлению вращения ротора.

При чисто индуктивной нагрузке ток в обмотке статора отстает от ЭДС на 90⁰и поэтому достигает максимума в тех же проводниках статора в тот момент времени, когда полюс ротораS₀повернется на 90⁰по направлению вращения (рис. 3,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину.

Рис. 2

При чисто емкостной нагрузке ток в обмотке статора опережает ЭДС на 90⁰и поэтому достигает максимума в тех же проводниках статора в тот момент времени, когда полюс ротораS₀не доходит на 90⁰по направлению вращения (рис. 3, в). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину.

Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как магнитный поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой Ф_РЕЗпрактически не зависит от режима). ИзменениеФ_РЕЗприводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии. Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счет увеличения воздушного зазора.

Уравнение состояния, схема замещения и векторная диаграмма синхронного генератора

Мгновенное значение напряжения u(t) каждой обмотки, наводится магнитным потокомФ(t), состоящим из потока возбуждения ротораФ₀(t), из которого вычитается не только магнитный поток реакции якоря Ф_Я(t) , но и поток рассеяния ротораФ_РАС(t):

Ф(t) =Ф₀(t) –Ф_Я(t) –Ф_РАС(t).

Соответствующее уравнение в комплексной форме представления синусоидальных величин можно представить в виде

,

где введен синхронный магнитный поток , объединяющий потокиФ_ЯиФ_РАС, направленные под одним и тем же углом, который определяется током обмотки статора и зависит от характера нагрузки. Напряжение на выводах обмоткиu(t) будет состоять из составляющих:u(t) =е₀(t) –е_син(t) –u_а(t) , гдее₀,е_син— мгновенные значения ЭДС, соответствующие составляющим магнитного потока;u_а— потери напряжения на активном сопротивлении провода обмотки. В комплексной форме

. (2)

Действующие значения напряжений и ЭДС, u(t),е₀(t),е_син(t), связаны с соответственными составляющими амплитуды магнитного потока формулами:

U=4,44к_об f w Ф_резm;

E₀=4,44к_об f w Ф_0m;

E_СИН= 4,44к_об f w Ф_Яm.

а)б)в)

Рис. 3

Схема замещения обмотки статора, для которой уравнение (2) будет соответствовать второму закону Кирхгофа, приведена на (рис. 4, а). На этой схеме выделена ЭДС, действующее значение которойЕ₀может регулироваться током возбуждения обмотки ротораI_в, а начальная фаза зависит от угла оси ротора, синхронная ЭДСнаводится в индуктивной катушке с индуктивным сопротивлением X_син, потери напряжения учитываются резистором, а напряжение на выводах обмотки зависит от подключаемой нагрузки. Величина R небольшая, по сравнению с X_СИН, ею обычно пренебрегают, и уравнение (2) приводится к виду

. (3)

В соответствии со схемой замещения можно составить векторную диаграмму (рис. 4, б).

а)б)

Рис. 4

Сначала строим вектор ЭДС , так как его длина регулируется током возбужденияI_в(по характеристике холостого хода), угол вектора тока можно выбрать произвольно. После этого можно нанести вектор тока, для чего необходимо знать величины активнойR_Ни реактивнойX_Нсоставляющих комплексного сопротивления нагрузки. Вектор тока отстает от векторов ЭДСи напряженияна углы₀исоответственно:

,

где величина X_Ндля емкостной нагрузки будет отрицательной. Так как X_СИНвсегда положительно, то₀>и для генератора вектор ЭДСвсегда будет находиться справа от вектора напряжения. Длины векторовиможно определить геометрически, так как векторнапряжения на синхронной индуктивности перпендикулярен вектору тока. Для этого необходимо провести прямую, отстающую от вектора на угол₀, и найти точку ее пересечения "n" с перпендикуляром, опущенным из вершины вектора(точка "m") на вектор тока. Вектора, проведенные из начала координат "0" в точку "n" и из точки "n" в вершину "m" вектора ЭДС в соответствии с уравнением (2) будут векторамии. Угол между векторамииназывается углом нагрузкии для генератора всегда> 0.