Реакция якоря синхронного генератора
Магнитное поле обмотки статора. При симметричной нагрузке трехфазного синхронного генератора по его фазным обмоткам протекают токи, одинаковые по величине и сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120°. Ток каждой фазной обмотки создает магнитодвижущую силу (МДС). Совокупное действие МДС трех фазных токов создает результирующую МДС трехфазной обмотки, которая вращается относительно статора в ту же сторону и с той же скоростью, что и ротор синхронной машины.
Принцип образования этой вращающейся МДС рассмотрим на простейшей трехфазной обмотке, каждая фаза которой состоит лишь из одного витка (рис. 7.3, я). Обмотка является двухполюсной, поскольку стороны витка каждой фазы расположены по диаметру статора. Фазные обмотки соединены звездой.
Рис. 7.3. Трехфазная обмотка:
а — простейшая схема трехфазной обмотки; б — синусоидальный график трехфазного тока
Предположим, что МДС обмотки возбуждения (ротора) равна нулю, а ток в обмотке статора создается за счет ЭДС постороннего источника трехфазного тока. Изменение тока в фазных обмотках показано графически в виде трех синусоид, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 120° (рис. 7.3, б).
Рассмотрим изменение магнитного потока, создаваемого МДС трехфазной обмотки в течение одного периода. С этой целью проведем ряд построений вектора магнитной индукции статорной обмотки, соответствующего различным моментам времени.
В положении 0 (рис. 7.3, б) ток в фазе А равен нулю, в фазе В имеет отрицательное направление, а в фазе С — положительное. Указанное направление тока отмечено на рис. 7.4, а. Воспользовавшись правилом буравчика, определяем направление магнитных силовых линий поля внутри статора, которые в данном случае направлены вертикально вниз, создавая магнитный поток такого же направления.
В положении 1 (рис. 7.3, б) ток в фазе С равен нулю, в фазе А имеет положительное направление, а в фазе В по-прежнему остался отрицательным. Сделав построения, как и для положения 0, видим, что магнитное поле внутри статора по сравнению с положением 0 повернулось на 60° (1/6 т) в направлении часовой стрелки (рис. 7.4, б).
Рис. 7.4. Принцип получения вращающегося магнитного поля
Проведя аналогичные построения для положений 2, 3, 4, 5 и 6 (рис. 7.3, б), видим, что магнитный поток внутри статора каждый раз при переходе от одного положения к следующему поворачивается на тот же угол, что и векторы токов, и за один период переменного тока делает один оборот (рис. 7.4, в, г, д, е). Если по обмотке статора протекает трехфазный ток частотой 50 Гц, то магнитное поле статора вращается со скоростью 50 об/с.
В общем случае скорость вращения поля статора (якоря) па прямо пропорциональна частоте тока и обратно пропорциональна числу пар полюсов машины
па = — об/с или п = ОА об/мин. (7.10)
Р Р
Сравнив полученное выражение с формулой (7.7), убеждаемся, что МДС статорной обмотки вращается с той же скоростью, что и ротор машины (п = па). Из этого следует, что МДС статорной обмотки и МДС обмотки возбуждения (полюсов) неподвижны относительно друг друга.
Реакция якоря. Реакцией якоря (статора) называется воздействие МДС (поля) якоря на МДС (поле) полюсов машины.
Так как мы доказали, что МДС якоря (статора) и МДС ротора (обмотки возбуждения) неподвижны относительно друг друга, то магнитное поле генератора при нагрузке будет создаваться совместным действием обеих МДС и будет отличаться от магнитного поля генератора при холостом ходе.
Кроме того, результирующая МДС обмотки статора (якоря) располагается по оси той фазы, в которой ток достигает своего максимального значения. Поэтому это дает нам возможность рассматривать вместо трех фаз только одну, а именно ту, в которой ток достигает максимума.
Следует отметить, что обычно генератор работает на смешанную нагрузку. Однако для изучения реакции якоря целесообразно предварительно рассмотреть случаи нагрузок предельного характера, а именно: чисто активную, чисто индуктивную и чисто емкостную.
Реакция якоря при активной нагрузке. При активной нагрузке ток якоря 1а и ЭДС Еа совпадают по фазе и угол между ними 4у равен нулю. На рис. 7.5, а показан двухполюсный генератор с явновыраженными полюсами.
Обмотка фазы якоря изображена в виде одного витка. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС Еа в фазе АХ. Так как при активной нагрузке ток совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Построив силовые линии магнитного потока Ф якоря, видим, что МДС якоря Еа действует перпендикулярно МДС возбуждения Ев (см. также рис. 7.5, б).
Рис. 7.5. Реакция якоря при активной нагрузке
Таким образом, при активной нагрузке реакция якоря является поперечной и оказывает такое же действие на основное поле машины, что и реакция якоря в генераторе постоянного тока. Эта реакция якоря вызывает появление тормозного момента на валу генератора, причем на набегающем краю полюса он ослабляет основное поле, на сбегающем — усиливает его. Такое поле и соответственно реакция якоря называются поперечными. При насыщенной магнитной системе результирующий поток машины несколько уменьшается.
Реакция якоря при индуктивной или емкостной нагрузке генератора. При индуктивной нагрузке ток 1а отстает от ЭДС на 90° и угол Т = +90°, а при емкостной — ток 1а опережает ЭДС на 90° и угол 4у = — 90°. Таким образом, при индуктивной нагрузке ток 1а достигает максимума спустя четверть периода после достижения максимума ЭДС Еа (рис. 7.6, а), т. е. после поворота ротора из положения на рис. 7.5, а на 90° по направлению его вращения.
В данном случае ось поля якоря направлена встречно относительно оси полюсов, т. е. при индуктивной нагрузке реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничива-ющий характер. В этой можно убедиться, построив векторную диаграмму МДС (рис. 7.6, б). Следует заметить, что тормозной момент на валу генератора не возникает.
Емкостная нагрузка представляет случай, противоположный предыдущему, а поэтому при емкостной нагрузке реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-намагничивающий характер (рис. 7.7, а и б).
Характеристики синхронных генераторов имеют такой же вид и такое практическое значение, как и для генераторов постоянного тока, поэтому нами не рассматриваются.
