Что такое реакция якоря в синхронных машинах

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 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 y₁, в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка (y₁ = 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 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 генератоpa 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 F₁, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора F_в0 на 90°.

Рис. 20.5. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а),

индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Такое воздействие МДС 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. 20.6).

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

§ 20.3. 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 статораI₁, 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 ЭДСна 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 МДСF_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 кВА при напряжении 6,3 кВ, если его четырехполюсная обмотка статора с обмоточным коэффициентомk_об1 = 0,92 содержит в каждой фазе по w₁ = 312 последо­вательно соединенных витков. Нагрузка генератора номинальная при cos = ψ₁ 0,8.

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,3513,763120,92 / 2 = 2666 A.

Поперечная составляющая МДС статора по (20.13)

Продольная составляющая МДС статора по (20.14)

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)

Что такое реакция якоря в синхронных машинах

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действует МДС возбуждения Fв0 и МДС статора (якоря) F1, при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, т.к. изменение магнитного поля машины сопровождается изменением 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 величины и характера нагрузки. Рассмотрим предельные случаи различных нагрузок.

Активная нагрузка (ψ₁=0). Рис а. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует мах ЭДС Е₀ в фазной обмотке. Т.к. ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение соответствует и мах тока. Изобразив линии магнитной индукции, видим, что МДС статора F₁ направлена перпендикулярно МДС возбуждения F_в0.

Вызывает искажение результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим.

Индуктивная нагрузка (ψ₁=90). Рис б. При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора I1 отстает по фазе от ЭДС Е0 на 90 градусов. Поэтому он достигает мах значения лишь при повороте ротора вперед на 90 град. При этом МДС статора (якоря) F₁ действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения F_в0.

Реакция якоря оказывает продольно – размагничивающее действие.

Емкостная нагрузка (ψ₁=-90). Рис в. Ток статора I1 опережает по фазе ЭДС Е0 на 90 град., что значит, что его мах значение он достигнет раньше, чем ЭДС. Магнитодвижущая сила статора действует вдоль оси полюсов, но теперь согласно с возбуждением. Реакция якоря оказывает продольно – намагничивающее действие. Магнитное поле искажается.

Реакция якоря СГ при активно-индуктивной нагрузке

При смешанной нагрузке, когда Ψ≠0 и Ψ≠±90 0 ток можно разложить на две составляющие

, .

Одна из этих составляющих I_q совпадает по фазе с ЭДС и носит название поперечного тока, а другая составляющая перпендикулярна ЭДС и носит название продольного тока.

Реакция якоря СГ при активно-емкостной нагрузке.

При смешанной нагрузке, когда Ψ≠0 и Ψ≠±90 0 ток можно разложить на две составляющие

, .

Одна из этих составляющих I_q совпадает по фазе с ЭДС и носит название поперечного тока, а другая составляющая пер пендикулярна ЭДС и носит название продольного тока.

4.Устройство и принцип действия машины постоянного тока (а.Ген., б.Двигатель).

Устройство и принцип действия МПТ.

Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор простейшей машины имеет два полюса (1) и ярмо. Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валуцилиндрического якоря (2) и коллектора (3). Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, уложенной в пазах сердечника якоря. Обмотка якоря имеет один виток, соединенный с изолированными от вала двумя медными пластинами коллектора. Обмотка якоря соединяется с внешней цепью коллектором и щетками (4).Основной магнитный поток в машинах постоянного тока обычно создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S, и от него через Ярмо снова к северному полюсу, преодолевая дважды воздушный зазор. Сердечники полюсов выполняются из электротехнической стали. Характерной особенностью машины постоянного тока является:

постоянство (в пространстве) магнитного потока возбуждения;

наличие преобразователя переменного тока в постоянный, в коллекторных машинах – это механический преобразователь (коллектор).

МПТ состоит из корпуса (станины), на котором закрепляются главные (являются главной частью индуктора) и добавочные полюса (если таковые есть), но которых намотаны катушки. Якорем в МПТ является вращающаяся часть, в которой уложена обмотка, состоящая каждая из 1 витка, 2-мя концами припаянная к коллекторным пластинам, находящимися на коллекторе и изолированными друг от друг и от вала. С внешней цепью обмотка якоря соединена посредством щеток, которые соприкасаются с коллекторными пластинами. Также в конструкции машины присутствует вентилятор, его кожух, подшипниковые щиты.

По способу возбуждения ГПТ подразделяются независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Принцип действия генератора постоянного тока: При вращении якоря машины в направлении по часовой стрелке в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки. Значение индуктируемой в проводнике ЭДС,где В-магнитная индукция; l-активная длина проводника;v—линейная скорость перемещения проводника.

Полная ЭДС якоря рассматриваемой машины равна . ЭДС Eg является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. В генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует перемен. ток в пост. во внешней цепи. Напряжение пост.тока на зажимах якоря будет < Е_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря r_a . На проводники обмотки якоря с токомI_A будут действовать электромагнитные силы .Их направление определяется по правилу левой руки. Эти силы создают механический момент:,D_A-диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяются аналогично генераторам на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Принцип действия:Если к обмотке ее якоря подвести пост.ток от внешнего источника, то машина будет работать в режиме двигателя. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать эл.маг.силыF_ПРи возникнет эл.маг.момент М_ЭМ. Данные величины определяются аналогично режиму генератора. При достаточном значении М_ЭМ якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент М_ЭМпри этом является движущим и действует в направлении вращения. В данном режиме коллектор превращает потребляемый из внешней цеп пост.ток в переменный в обмотке якоря и работает в качестве механического инвертора тока. Проводники обмотки якоря вращаются в маг поле и поэтому в обмотке якоря индуктируется ЭДС Е_А.Направление в дигат-м режиме такое же, как в генератор-м. Т.о. ЭДС Е_Анаправлена против токаI_Aи приложено к зажимам якоря напряженияU_A. Поэтому ЭДС якоря наз-ся противоэлектродвижущей силой. Приложенное напряжение к якорю уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря. Развиваемая М_ЭМмощность.где-угловая скорость вращения. На основанииэлектромагнитная мощность.

1.Трансформаторы специального назначения: для преобразования числа фаз; для преобразования частоты; пик-трансформаторы, сварочные, трансформаторы с подмагничиванием шунтов (ТРПШ), автотрансформаторы.

ПТ применяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсы пикообразной формы. Такие импульсы напряжения необходимы для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми или электронными устройствами. Принцип работы ПТ основан на явлении магнитного насыщения ферромагнитного материала. Первичная обмотка ПТ расположена на увеличенном в диаметре стержне, в то время как вторичная обмотка располагается на уменьшенном в диаметре стержне. Имеет место шунтирующий стержень. Принцип действия основан на явлении перенасыщения магнитопроовода в местах с узким стержнем. В результате чего Е2 практически = 0 для данного периода, но малейшее изменение значения Ф2 влечет скачкообразное изменение Е2.

Это трансформаторы, у которых помимо магнитной связи между обмотками имеется и электрическая связь.

Обмотка с числом витков ω_axодновременно является частью первичной и вторичной обмотки. При условии, что коэффициент трансформации автотрансформатора меньше 2-х, то виткиω_axможно выполнить проводом меньшего сечения. При этом снижается расход материала и снижаются габариты. Поэтому КПД, при прочих равных условиях, выше у автотрансформатора.

К недостаткам автотрансформатора следует отнести необходимость наличия высокопрочной изоляции. По технике безопасности нельзя использовать автотрансформаторы, для подачи понимающего напряжения непосредственно потребителю.

Выполняется так, что U₂должно быть 50-60 В, необходимое для зажигания дуги и ее устойчивого горения.

Зажиганию дуги предшествует короткое замыкание во вторичной обмотке трансформатора, рабочий ок сварочного трансформатора соотвествует напряжению электрической дуги 30 В. Обрывает дугу перевод трансформатора в режим ХХ.

В целях ограничения тока обмотки располагают на разных сторонах магнитопровода, а также включают дроссель во вторичную цепь.

Коэффициент мощности сварочных трансформаторов из-за значительного индуктивного сопротивления не превышает 0,4-0,5.

ТМ для преобразования частоты.Трансформаторные устройства, состоящие из магнитопроводов и обмоток, можно использовать для умножения частоты переменного тока, т.е. увеличения частоты в целое число раз. Практическое применение получили удвоители и утроители частоты. Два замкнутых магнитопровода имеют пять обмоток. Первичную обмотку выполняют так, чтобы она охватывала сразу два магнитопровода.

2. Трехфазная асинхронная машина при неподвижном роторе. Основные уравнения для цепей статора и ротора. Параметры короткозамкнутой обмотки ротора. Приведение параметров вторичной цепи к числу витков и фаз первичной.

Как следует из принципа действия асинхронного двигателя, обмотка ротора не имеет электрической связи с обмоткой статора. Между этими обмотками существует только магнитная связь, энергия из обмотки статора в обмотку ротора передается магнитным полем. В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают две магнитодвижущие силы; МДС статора и МДС ротора.

Основной магнитный поток Ф, вращающийся с частотой n1, наводит в неподвижной обмотке статора ЭДС Е₁. I₁r₁ – падение напряжения в активном сопротивлении обмотки статора r₁. U₁ – напряжение сети, в которую включен статор. jI₁x₁ — магнитный поток рассеяния. Т.о. имеем уравнение напряжений обмотки статора:

Данное уравнение полностью идентично уравнению первичной обмотки тр-ра.

При условии неподвижности ротора асинхронной машины скольжение s=1. Откуда следует, что частота ЭДС ротора f₂=f₁. С учетом данного факта получим по второму закону Кирхгофа уравнение напряжений для обмотки ротора:

Приведение параметров вторичной цепи к числу витков и фаз первичной цепи применяется с целью построения векторов ЭДС, напряжений и токов статора о ротора на одной векторной диаграмме. Обмотку ротора с числом фаз m₂, обмоточным коэффициентом к_об2, и числом витков одной фазы w₂ заменяют обмоткой с m₁, w₁ и к_об1. При этом мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС и токов ротора после приведения должны остаться такими же, что и до приведения. При s=1 приведенная ЭДС ротора определяется как Е`<sub>2</sub> = Е<sub>2</sub>к<sub>е</sub>, где к<sub>е</sub>= к<sub>об1</sub>w<sub>1</sub>/ к<sub>об2</sub>w<sub>2</sub> – коэффициент трансформации напряжения в АМ при неподвижном роторе. Приведенный ток ротора I`₂ = I₂/k_i, где ki = m₁к_об1w₁/ (m₂к_об2w₂) – коэффициент трансформации тока АМ. С учетом этих коэффициентов производят пересчет активных и индуктивных сопротивлений. Уравнение напряжений ротора в приведенном виде будет выглядеть как:

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) п_а прямо пропорциональна частоте тока и обратно пропорциональна числу пар полюсов машины

п_а = — об/с или п = ОА об/мин. (7.10)

Сравнив полученное выражение с формулой (7.7), убеждаемся, что МДС статорной обмотки вращается с той же скоростью, что и ротор машины (п = п_а). 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 1_а и ЭДС Е_а совпадают по фазе и угол между ними 4 у 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 Е_а 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 Е_а действует перпендикулярно МДС возбуждения Е_в (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 1_а отстает от ЭДС на 90° и угол Т = +90°, а при емкостной — ток 1_а опережает ЭДС на 90° и угол 4 у = — 90°. Таким образом, при индуктивной нагрузке ток 1_а достигает максимума спустя четверть периода после достижения максимума ЭДС Е_а (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.

Реакция якоря синхронной машины

Реакция якоря синхронной машины – воздействие магнитодвижущей силы обмотки якоря на магнитодвижущую силу обмотки возбуждения.

Какое влияние оказывает реакция якоря на работу синхронной машины?

От его влияния напрямую будут зависеть рабочие показатели машины. Это связано с тем, что изменения магнитного поля приведут к изменениям ЭДС в обмотке статора, а также ряде других важных показателей. От показателей нагрузки зависит то, насколько сильно влияет реакция якоря на работоспособность синхронной машины.

Чтобы оценить реакцию якоря на синхронную машину необходимо рассмотреть вариант функционирования генератора при больших его нагрузках.

На фото изображены все типы нагрузок. На изображении «А» – активная. Видно, что в данный промежуток времени ротор будет находиться в вертикальном положении, а значит max. ЭДС E0 в фазной обмотке. Поскольку ЭДС одинакова по фазе, то показания max. тока будут такими же. На графике видно, что магнитодвижущая сила якоря направлена перпендикулярно магнитодвижущей силе возбуждения.

На изображении «Б» – индуктивная. При такой нагрузке ток статора проигрывает по фазе на 90 градусов. Чтобы были достигнуты максимальные показатели необходимо чтобы был произведен поворот ротора вперед на 90 градусов.

На изображении «В» – емкостная. В такой ситуации ток статора впереди по фазе ЭДС Е0 на 90 градусов. Это говорит о том, что максимальных показателей он достигнет намного раньше, чем ЭДС.

Устройство и принцип действия синхронной машины

Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах.

Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора.

Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4).

При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой n_о магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

Выше отмечалось, что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где — угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив , получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; — число витков одной фазы обмотки статора; — число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120 0 , и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения .

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и , которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .

Противодействующий момент и противо-ЭДС.

При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора.

В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент . В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя: .

Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора .

Реакция якоря в синхронной машине.

Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения , поэтому частота ЭДС и тока статора , где — число пар полюсов машины.

Частота вращения магнитного поля статора .

Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.

При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm₁ магнитного потока ротора Ф₀ перпендикулярна оси nn₁ катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а).

Магнитный поток статора Ф_я замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф₀ опережает ось потока статора Ф_я на электрический угол, равный 90 0 (поперечная реакция якоря).

При этом результирующий магнитный поток машины (ось qq₁) поворачивается относительно потока ротора Ф₀ на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.

При чисто индуктивной нагрузке X_L ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 90 0 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 90 0 по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ( ).

При емкостной нагрузке X_C ток в фазе статора опережает ЭДС на 90 0 и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 90 0 до оси mm₁ (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину ( ).

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.

Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой ). Изменение Ф_рез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора.

Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.