13.3. Работа синхронного генератора под нагрузкой

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора при сим­метричной нагрузке, когда он работает независимо от других синхрон­ных машин. При симметричной нагрузке в фазных обмотках проходят одинаковые токи, сдвинутые по фазе на угол 2π/3. Эти токи создают магнитное поле, которое вращается относительно якоря в ту же сторону и с той же частотой, что и поле обмотки возбуждения (ротора). Таким образом, магнитные потоки возбуждения Ф_B и якоря Ф_a в синхронной машине взаимно неподвижны. В машине, работающей под нагрузкой, т. е. когда токи в фазах статора не равны нулю, ре­зультирующий магнитный поток Ф_рез в отличие от холостого хода создается не только м. д. с. обмотки возбуждения, но и м. д. с. обмотки якоря. Воздействие м. д. с. якоря на поле синхронной машины, создавае­мое обмоткой возбуждения, называется реакцией якоря. Следовательно, под действием реакции якоря изменяется результирующий магнитный поток и, естественно, напряжение генератора, причем реакция якоря и напряжение генератора зависят от значения и характера нагрузки, значения м. д. с. обмотки возбуждения, свойств магнитной системы машины и т. д. Магнитное поле якоря в зависимости от того, на какую нагрузку работает генератор, будет или ослаблять основное поле полюсов, или усиливать его. В зависимости от характера нагрузки ток синхронного генератора может совпадать по фазе с э. д. с. Е₀, наведенной потоком полюсов Ф₀, или отставать, или опережать Е₀.

Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхрон­ного генератора при различных углах сдвига фаз ψ между э. д. с. Е₀ и током I в обмотке якоря. Угол ψ зависит от характера нагруз­ки, т. е. от сопротивлений r, X_L и Х_C. Поэтому рассмотрим реакцию якоря трехфазного генератора с явно выраженными полюсами для трех частных случаев нагрузки: активной, индуктивной и емкостной.

Реакция якоря при активной нагрузке. При активной нагрузке угол сдвига фаз ψ между э. д. с. E₀ и током I в каждой фазе обмотки якоря равен нулю, т.е. ψ=0 (рис. 13.5,б). Так как магнитные потоки якоря и полюсов относительно друг друга неподвижны, то реакцию якоря можно рассматривать для какого-то определенного момента вре­мени, например, когда ток в одной из фаз достигает максимального значения. В этом случае отпадает необходимость в изображении всех трех фаз, так как амплитуда результирующего потока трехфазной машины, как известно, совпадает с амплитудой потока той фазы, в которой в данный момент ток максимален. На рис. 13.5, а показаны полюсы машины и одна фаза якоря, причем последняя заменена одной катушкой. Так как при ψ = 0 э. д. с. E₀ совпадает по фазе с током I, то ток имеет максимальное значение в тот же момент, что и э. д. с., т. е. когда стороны катушки находятся под серединами полюсов. Так как магнитное поле якоря вызывается током его обмотки, то значение этого поля в рассматриваемый момент наибольшее. Направление поля реакции якоря находится по правилу правоходового винта. Из рис. 13.5, а видно, что поле реакции якоря ослабляет поле полюсов под набе­гающим краем полюса и усиливает его под убегающим краем, при этом поле якоря Ф_аq, по отношению к оси полюсов является поперечным. Если магнитная система генератора не насыщена, то, когда полюсы распо­ложены непосредственно под проводниками якоря, результирующий поток (Ф_рез) почти не изменяется по значению, а лишь несколько «перекашивается». В случае насыщенной магнитной системы машины усиление поля под сбегающим краем полюса несколько меньше, чем его ослабление под набегающим краем, в результате чего суммарное поле несколько уменьшится. Для учета влияния поперечного поля реакции якоря Ф_аq считают, что оно индуцирует в обмотке якоря э. д. с. Е_aq (рис. 13.5,б).

Реакции якоря при индуктивной нагрузке. При индуктивной нагрузке ток отстает по фазе от э. д. с. Е₀ на угол ψ = π/2 (рис. 13.6,б). В этом случае ток катушки достигает максимального значения на четверть периода позднее, чем э. д. с., т. е. после того как полюсы сдвинутся вправо на половину полюсного деления относительно того положения, при котором э. д. с. имеет максимальное значение (рис. 13.6, а). Иначе говоря, ток максимален, когда середина полюсов сдвинется на 90 эл. град и они находятся как раз посередине между сторонами катушки.

Из рис. 13.6, а видно, что часть магнитного потока, образующегося вокруг проводников якоря, составляет поток рассеяния Ф_σa. Часть потока входит в ротор и замыкается через два соседних полюса вдоль полюсов, образуя продольное поле реакции якоря Ф_аd. Продольный поток реакции якоря как под набегающим краем полюса, так и под его убегающим краем направлен диаметрально противоположно потоку полюсов, ослабляя тем самым основное поле машины, т. е. оказывая размагничивающее действие. Для учета влияния продольного поля реакции якоря полагают, что оно индуцирует в обмотке якоря э. д. с. E_ad (рис. 13.6,б).

Поток рассеяния Ф_σа, замыкающийся в основании через воздух только вокруг проводников обмотки статора (якоря), индуцирует в каждой фазе обмотки якоря э. д. с. рассеяния , где Х_σа — индуктивное сопротивление, обусловленное потоком рассеяния. Поток рассеяния Ф_σа не оказывает влияния на поле полюсов.

Реакция якоря при емкостной нагрузке. При емкостной нагрузке ток опережает по фазе э. д. с. E₀ на угол π/2. В этом случае ток максимален на четверть периода раньше, чем э. д. с., т. е. тогда, когда вращающиеся полюсы своими серединами не доходят на 90 эл. град до такого положения, при котором э. д. с. в катушке максимальна. Соответствующая картина распределения магнитных потоков представ­лена на рис. 13.7, а. Из рисунка видно, что поле реакции якоря продольное Ф_аd и что оно как под набегающим, так и под убегающим краями полюсов усиливает основное поле машины, т. е. при емкостной нагрузке реакция якоря намагничивающая. Учет влияния этой реакции якоря с помощью E_ad показан на рис. 13.7,б.

Итак, в синхронном генераторе реакция якоря зависит от характера нагрузки и при отстающем токе является размагничивающей, а при опережающем — намагничивающей.

При работе синхронного генератора под нагрузкой э. д. с. в каждой фазе обмотки статора E с учетом явления реакции якоря будет несколь­ко отличаться от э. д. с. E₀ при холостом ходе, так как эта э. д. с. индуцируется не магнитным потоком холостого хода Ф₀, а результи­рующим магнитным потоком Ф_рез. Векторы этих э. д. с. для всех трех рассмотренных случаев нагрузки изображены на соответствующих диаграммах (рис. 13.5,б; 13.6,б; 13.7,б). При построении векторных диаграмм исходят из положения, что если поток реакции якоря в машине равен Ф_а (в явнополюсной машине этот поток делится на Ф_аd и Ф_аq), то результирующий магнитный поток в зазоре ненасы­щенной машины

(13.4)

а э. д. с., индуцируемая потоком Ф_рез в фазе статора неявнополюсного генератора,

(13.5)

где— комплексная э. д. с., индуцируемая в фазе статора потоком— комплексная э. д. с., индуцируемая в фазе статора потоком реак­ции якоря Ф_а; Е_а пропорциональна потоку Ф_а, а в ненасы­щенной машине - и току якоря I, поэтому ее можно рассматривать как э. д. с. самоиндукции, наведенную в обмотке якоря, и представить в виде где Х_а — индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком якоря.

Э. д. с. явнополюсного генератора при его работе под нагрузкой равна

(13.6)

где- э. д. с., индуцируемые соответственно потоками Ф_аq, и Ф_аd. Для ненасыщенной машины можно считать, что

(13.7)

где Х_aq и Х_ad, — индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответ­ственно обусловленные полями поперечной и продольной реакций якоря. В соответствии с рис. 13.8 ток якоря I можно представить в виде поперечной I_q = I cos ψ и продольной I_d = I sin ψ составляющих.

В синхронных машинах с неявно выраженными полюсами магнитное сопротивление воздушного зазора одинаково по всей окружности ротора и не зависит от взаимного расположения статора и ротора, поэтому отпадает необходимость в разделении магнитного потока, проникающего из статора в ротор, на поперечную и продольную составляющие. В этом случае магнитное поле реакции якоря Ф_а индуцирует в обмотке якоря э. д. с. E_а.

Полученные выводы справедливы и для общего случая, когда нагрузка смешанная, т. е. когда угол сдвига фаз ψ по абсолютному значению меньше 90°. Отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагни­чивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагничивает ее.