Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0 [см. (20.1)] и статора (якоря) F₁ [см. (9.15)], 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 изменением ЭДС, наведенной в обмотке стато­ра, а следовательно, изменением и рада 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 , индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС ) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора I₁, то он может занимать по

отношению к вектору различные положения, определяемые углом , в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка( = 0). На рис. 20.5, 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 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 направлена перпендикулярно МДС возбуждения . 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 ; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС , наведен­ной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора ,

Рис. 20.5. Реакция якоря синхронного генератора при

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

совпадает по фазе с ЭДС , а поэтому вектор МДС , создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) на МДС возбуж­дения вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем по­люса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 20.6). 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 ( = 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора отстает по фазе от ЭДС на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соот­ветствующего максимуму ЭДС (см. рис. 20.5, 6). При этом МДС 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.

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

Емкостная нагрузка( ψ = -90°). Так как ток , при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС на 90°, то своего большего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 20.5, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения .

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.

Смешанная нагрузка.При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора сдвинут по фазе относительно ЭДС на угол ψ₁, значения которого находятся в пределах 0 < ψ₁ < ± 90° . Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диаграммами МДС, представлен­ными на рис. 20.7.

Рис. 20.6. Магнитное поле син­хронного генератора при актив­ной нагрузке

Рис. 20.7. Реакция якоря при сме­шанной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 20.7, а) вектор отстает от вектора на угол 0 < ψ₁ < 90° . Разложим вектор F₁ на оставляющие: продольную составляющую МДС статора, F_1d = F₁ sin ψ₁ и поперечную составляющую МДС статора F_1q = F₁ cos ψ₁. Такое же разложение МДС якоря F₁ на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 20.7, б). Поперечная составляющая МДС статора F_1q, представ­ляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропор­циональна активной составляющей тока нагрузки I_q = I₁ cos ψ, т. е.

F_1q = F₁ cos ψ₁ , (20.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F_1d представляю­щая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки I_d = I₁ sin ψ₁ , т. е.

F_1d = F₁ sin ψ₁ (20.14)

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

Направление вектора F_1d относительно вектора определяет­ся характером реакции якоря, который при токе нагрузки , от­стающем по фазе от ЭДС , является размагничивающим, а при токе , опережающем по фазе ЭДС , — подмагничивающим.

Пример 20.1.Определить продольную и поперечную составляющие МДС статора (якоря) трехфазного синхронного генератора номинальной мощностью 150 кВ А при напряжении 6,3 кВ, если его четырехполюсная обмотка статора с обмоточным коэффициентом k_об1 = 0,92 содержит в каждой фазе по w₁ = 312 последо­вательно соединенных витков. Нагрузка генератора номинальная при cos = ψ₁0,8.

Решение. Ток нагрузки номинальный

I₁ = S_ном / ( U_1ном) = 150/ ( 6,3) = 13,76 А.

Максимальное значение МДС трехфазной обмотки статора по (9. IS)

F₁ =1,35 I₁ w₁ k_o6l / p = l,35 13,76 312 0,92 / 2 = 2666 A.

Поперечная составляющая МДС статора по (20.13)

F_1q = F₁ cos ψ₁ = 2666 • 0,8 = 2133 А.

Продольная составляющая МДС статора по (20.14)

F_1d = F₁ sin ψ₁ = 2666 • 0,6 = 1600 А.

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

Ф_1d = F_1d / R_мd = F₁ sin ψ₁/ R_мd ; (20.15)

по поперечной оси

Ф_1q = F_1q / R_мq = F₁ cos ψ₁/ R_мq ; (20.16)

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

; (20.17)

по поперечной оси

. (20.18)

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

x_a = 2,5 10^-6 m₁ f₁ , (20.19)

где D₁ — внутренний диаметр сердечника статора, м; l_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_мq > R_мd):

R_мd = R_м / k_d (20.20)

R_мq = R_м / k_q (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

= - j x_a k_q = - j x_ad sin ψ₁ (20.22)

= - j x_aq k_q = - j x_aq cos ψ₁. (20.23)

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

x_ad = x_a k_d ; (20-24)

по поперечной оси

x_aq = x_a k_q. (20.25)