7.2.3.2. Навантажений режим.

У навантаженому генераторі синусоїдальні струми, що протікають в трифазній обмотці статора, утворять при постійному навантаженні незмінний за величиною магнітний потік Ф_я, що обертається синхронно з магнітним потоком ротора Ф_зб.

Так само, як в асинхронній машині, три нерухомі обмотки статора, по яких протікає трифазний струм, по своїй дії еквівалентні постійній намагнічуючій силі, що обертається в просторі із швидкістю n. Отже, на відміну від режиму холостого ходу, в навантаженій синхронній машині при незмінному струмі збудження і постійному навантаженні одночасно діють дві постійні за величиною намагнічуючі сили (НС): НС обмотки збудження F_зб і НС обмотки якоря F_я. Ці намагнічуючі сили створюють результуючу НС – F_рез, яка визначає реально існуючий в машині загальний магнітний потік Ф. Цей потік, що обертається з синхронною швидкістю n, індукує в нерухомій обмотці якоря синусоїдальну ЕРС Е_рез (в обмотці ротора магнітний потік не індукує ЕРС).

Для аналізу процесів, що відбуваються в навантаженій синхронній машині, зручно вважати, що кожна з намагнічуючих сил F_зб і F_я створює свій магнітний потік, що індукує ЕРС в обмотці якоря.

Д ія НС обмотки якоря на основний магнітний потік і загалом на режим роботи навантаженої машини називають реакцією якоря.

Щоб визначити вплив НС якоря F_я на основний магнітний потік машини, необхідно знайти взаємне розташування осей потоків Ф_я і Ф_зб при різних характерах навантаження генератора. При цьому потрібно врахувати, що ЕРС, яка індукується потоком Ф_зб в однієї з фаз обмотки статора, досягає максимуму в той момент, коли провідники цієї фази знаходяться під серединою полюса ротора (рис. 7.24).

В ісь потоку якоря Ф_я, як відомо, співпадає з віссю обмотки тієї фази, де струм І досягає максимуму. Тому при аналізі зручно визначити взаємне розташування осей потоків Ф_зб і Ф_я в момент часу, коли струм в якій-небудь з фаз статора (наприклад, АХ) досягає максимального значення.

При чисто індуктивному навантаженні струм І відстає за фазою від ЕРС Е на чверть періоду ( = + 90°) і досягає максимуму (І_m) в момент, коли полюс N ротора піде уперед на чверть оберту (рис. 7.25) від положення, вказаного на рис. 7.24. В цьому випадку потік якоря Ф_я направлений проти потоку ротора Ф_зб і, отже, чинить на нього розмагнічуючу дію.

П ри чисто ємнісному навантаженні струм І випереджає за фазою ЕРС Е на чверть періоду ( = –90°) і досягає максимального значення (І_m), коли полюс N ротора не доходить на 90° (рис. 7.26) до положення, вказаного на рис. 7.24. В цьому випадку потік якоря Ф_я співпадає по напрямку з потоком ротора Ф_зб тобто чинить на нього намагнічуючу дію.

Як при чисто індуктивному, так і при чисто ємнісному навантаженню взаємодія провідників ротора з магнітним потоком статора не створює гальмівного моменту на валу машини, незважаючи на те, що на кожного провідника ротора діє електромагнітна сила (рис. 7.25, 7.26). Це пояснюється тим, що електромагнітні сили, що діють за годинниковою стрілкою, урівноважуються протилежно направленими електромагнітними силами (в цьому можна пересвідчитися, застосувавши правило лівої руки до всіх провідників обмотки ротора)¹. Потужність, що витрачається первинним двигуном при чисто реактивному навантаженні, мала і визначається тільки втратами в генераторі.

Я кщо струм І співпадає за фазою з ЕРС Е, то він досягає максимуму в момент, коли вісь поля ротора співпадає з площиною АХ (рис. 7.27). Електромагнітні сили, що діють на всі провідники обмотки ротора, виявляються узгодженими і спільно створюють гальмівний момент, що долається первинним двигуном генератора.

Вище були розглянуті граничні випадки, коли струм І і ЕРС Е або співпадають за фазою, або були зсунуті на кут  =  90°. В практичних умовах струм якоря І відстає за фазою від ЕРС Е на кут  (0 <  < 90°). Тут струм І можна розглядати як такий, що складається з двох складових: 1) активної складової I·cos , що зумовлює механічну реакцію в вигляді електромагнітного гальмівного моменту на валу, 2) реактивної складової I·sin , що спричиняє магнітну реакцію, тобто що послаблює основний магнітний потік машини.