Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0 (1) и статора (якоря) F_в0, при этом МДС статора (якоря) воз­действует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле воз­буждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (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 измерением 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 МДС F_в0 ) на 90°. Что же каса­ется вектора тока в обмотке статора I₁ то он может занимать по отношению к вектору Е₀ различные положения, определяемые углом ψ₁ в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка (ψ₁ = 0). На рисунке 13(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 ЭДС Е₀ в фазной обмотке. Так как ток при активной на­грузке совпадает по 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 статора F₁ направлена перпендикулярно МДС возбуждения F_в0 . Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генерато­ра проводим вектор МДС возбуждения F_в0; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС Е₀, наведен­ной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора I₁ совпадает по фазе с ЭДС Е₀, а поэтому вектор МДС F ₁, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора F_в0 на 90°.

Рисунок 13. Реакция якоря синхронного генератора

при активной (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Такое воздействие МДС статора (якоря) F₁ на МДС возбуж­дения F_в0 вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем по­люса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 14). 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 (ψ₁ = 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора I₁, отстает по фазе от ЭДС Е₀ на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соот­ветствующего максимуму ЭДС Е₀ (см. рис. 13, б). При этом МДС F₁ действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС воз­буждения. 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.

 

 

 

Рисунок 14. Магнитное поле син­хронного генератора при актив­ной нагрузке

 

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

Емкостная нагрузка (ψ₁ = -90°). Так как ток I₁ при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС Е₀ на 90°, то своего наибольшего значения он дости­гает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показан­ное на рисунке 13 (в). Магнитодви­жущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения Е_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.

 

 

Рисунок 15. Реакция якоря при сме­шанной нагрузке

 

Смешанная нагрузка. При смешанной нагрузке син­хронного генератора ток стато­ра I₁ сдвинут по фазе относи­тельно ЭДС Е₀ на угол ψ₁, значения которого находятся в пределах 0< ψ₁ < ± 90º. Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диа­граммами МДС, представлен­ными на рисунке 15.

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 15, а) вектор F₁ от­стает от вектора Е₀ на угол. Разложим вектор F₁ на две составляющие: продольную составляющую МДС статора и поперечную составляющую МДС статора. Такое же разложение МДС якоря F₁ на составляю­щие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 15, б). Поперечная составляющая МДС статора F_1q, представ­ляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропор­циональна активной составляющей тока нагрузки I_q = I ₁ cosψ, т. е.

 

F _{1 q} = F ₁cosψ₁, (13)

 

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F_1d, представляю­щая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки I_d = I ₁ sinψ₁, т.е.

 

F _{1 d} = F ₁sinψ₁, (14)

 

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отста­ет по фазе от ЭДС Е₀ (нагрузка активно-индуктивная), то МДС F_1d размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока I_d опережает по фазе ЭДС Е₀ (нагрузка активно-емкостная), то МДС F_1d подмагничивает генератор.

Направление вектора F_1d относительно вектора F _в0 определяет­ся характером реакции якоря, который при токе нагрузки I ₁ от­стающем по фазе от ЭДС Е₀, является размагничивающим, а при токе I ₁, опережающем по фазе ЭДС Е₀ – подмагничивающим.

Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной F_1d и поперечной F_1q осям создают в магнитопроводе синхронной ма­шины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков: по продольной оси

 

; (15)

 

по поперечной оси

 

, (16)

 

где R_мd и R_мq – магнитные сопротивления синхронной машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям.

В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивле­ния по продольной и поперечной осям равны (R_мd = R_мq = R_м)

Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой ста­тора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

по продольной оси

 

F_1d = - jI_d x_a = - jI₁ x_a sinψ₁; (17)

 

по поперечной оси

F_1q = - jI_q x_a = - jI₁ x_a cosψ₁. (18)

 

Здесь х_а – индуктивное сопротивление реакции якоря, представ­ляющее собой главное индуктивное сопротивление обмотки ста­тора (Ом):

 

, (19)

 

 

где D₁ – внутренний диаметр сердечника статора, м;

I_i – расчет­ная длина сердечника статора, м;

δ – воздушный зазор, м.

В явнополюсных синхронных машинах магнитные сопротив­ления машины потокам основной гармоники по продольной и по­перечной осям не одинаковы (R _{м q} > R_мd)

 

; (20)

 

, (21)

 

где R_м – магнитное сопротивление машины при равномерном воздушном зазоре по всему периметру расточки статора.

Это обстоятельство оказывает влияние на значения магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря. Количественно это влияние учитывается коэффициентами формы поля k_dи k_q:

 

F_1d = - jI_d x_a k_d = - jI₁ x_ad sinψ₁; (22)

 

F_1q = - jI_q x_a k_q = - jI₁ x_aq cosψ₁. (23)

 

Здесь x_ad и x_aq – индуктивные сопротивления реакции якоря явно­полюсной машины: по продольной оси

 

x_ad = x_a k_d; (24)

 

x_aq = x_a k_q (25)

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

---

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: