Реакция якоря при активной нагрузке

Реакция якоря при активной нагрузке

Реакция якоря в синхронном явнополюсном генераторе

Как было сказано выше, при холостом ходе магнитный поток создается обмоткой возбуждения. В явнополюсной машине магнитный поток Ф0 направлен по продольной оси d-d, рис 4. Так как магнитное сопротивление по продольной d-d и поперечной осям различное, то в явнополюсной машине все процессы рассматривают по двум осям – продольной d-d вдоль индуктора и поперечной q-q оси. Если теперь замкнуть обмотку статора (якоря) на нагрузку, то под действием ЭДС Е0 по обмотке будет протекать ток, который создает свой магнитный поток. Взаимодействие потока якоря с потоком обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Намагничивающая сила ротора вращается с синхронной скоростью, вращение магнитного поля статора также синхронное (n1=60f1/p), т.е. они друг относительно друга неподвижны. Однако действие реакции якоря зависит от характера нагрузки. Нагрузка может быть активной, индуктивной, емкостной, либо смешанной. При рассмотрении реакции якоря на статоре будем изображать одну фазу вместо трех. Из общей теории машин переменного тока известно, что ось потока трехфазной обмотки совпадает с осью той фазы, где ток максимален, поэтому рассмотрим случай, когда ток в одной из фаз статора максимален.

Рис 4.

Кривая намагничивающей силы ротора есть синусоида. Кривая намагничивающей силы реакции якоря так же синусоидальная. Реакция якоря на набегающем крае размагничивает основной поток, а на сбегающем крае намагничивает. Как видно из рис 4 при активной нагрузке реакции якоря поперечная. Намагничивающая сила Faq – намагничивающая сила поперечной реакции якоря.

Если машина неявнополюсная, то Faq дает нам в каком-то масштабе кривую распределения индукции. А для машин с явными полюсами эта кривая не будет аналогична кривой распределения индукции, так как зазор по осям не одинаков. Поэтому в кривой индукции появляются провалы в межполюсных местах из-за большого магнитного сопротивления.

Однако с такой кривой индукции Baq иметь дело не удобно, поэтому предпочитают сводить эту кривую к эквивалентной синусоиде, имеющей равную площадь, при этом поступают следующим образом: намагничивающую силу F1aq соответствующую эквивалентной синусоиде, определяют F1aq=Faq*Kq, где Kq-коэфициент поперечной реакции якоря и зависит от коэффициента магнитного перекрытия для машин Kq=0.2-0.5.

Определив, таким образом, эквивалентную синусоиду, можно найти поток. Таким образом, при чисто активной нагрузке реакция якоря – поперечная.

§ 20.3. Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения Fв0 и статора (якоря) F1 , 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, F1d = F1 sin ψ1 и поперечную составляющую МДС статора F1q = 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 F1q, представ­ляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропор­циональна активной составляющей тока нагрузки Iq = I1 cos ψ, т. е.

F1q = F1 cos ψ1 , (20.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F1d представляю­щая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки Id = I1 sin ψ1 , т. е.

F1d = F1 sin ψ1 (20.14)

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отста­ет по фазе от ЭДС (нагрузка активно-индуктивная), то МДС F1d размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС(нагрузка активно-емкостная), то МДСF1d подмагничивает генератор.

Направление вектора F1d 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 коэффициентомkоб1 = 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 = Sном / (U1ном) = 150/ ( 6,3) = 13,76 А.

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

F1 =1,35 I1 w1 ko6l / p = l,3513,763120,92 / 2 = 2666 A.

Поперечная составляющая МДС статора по (20.13)

F1q = F1 cos ψ1 = 2666 • 0,8 = 2133 А.

Продольная составляющая МДС статора по (20.14)

F1d = F1 sin ψ1 = 2666 • 0,6 = 1600 А.

Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной F1d и поперечной F1q осям создают в магнитопроводе синхронной ма­шины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков: по продольной оси

Ф1d = F1d / Rмd = F1 sin ψ1/ Rмd ; (20.15)

по поперечной оси

Ф1q = F1q / Rмq = F1 cos ψ1/ Rмq ; (20.16)

где Rмd и Rмq — 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 (Rмd = Rмq = Rм).

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

xa = 2,5 10-6 m1 f1 , (20.19)

где D1 — внутренний диаметр сердечника статора, м; li — 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 (Rмq > Rмd):

Rмd = Rм / kd (20.20)

Rмq = Rм / kq (20.21)

где Rм — 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

Реакция якоря при смешанной нагрузке

Здесь также действительную кривую распределения индукции заменяют эквивалентной синусоидой. F1ad=Fad*Kd, где Kd – коэффициент продольной реакции якоря. Kd=0.8-0.95. Таким образом, при индуктивной нагрузке реакция якоря будет продольной и будет действовать размагничивающим образом. Реакция якоря при емкостной нагрузке

При емкостной нагрузке ток якоря опережает ЭДС на 90 градусов эл. градусов. Поэтому максимум тока в фазе наступает тогда, когда северный полюс не дойдет до фазы статора на 90. При этом поток якоря и поток обмотки возбуждения будут направлены в одну сторону (см. рис. 259) и реакция якоря будет продольно намагничивающая.

Реакция якоря при смешанной нагрузке

В действительности у синхронных генераторов таких идеальных случаев нагрузки нет. Реально нагрузка генератора активно-индуктивная, либо активно емкостная. Рассмотрим активно-индуктивный характер нагрузки. При этом ток якоря разлагают по осям. Активная составляющая будет давать поперечную реакцию якоря, а реактивная – продольную. Рассмотрим случай, когда ток отстает от ЭДС на угол ψ. Для определения влияния реакции якоря нужно выделить активную и реактивную составляющие тока.

Ток Iq создает намагничивающую силу Faq, а ток Id намагничивающую силу Fad. Фaq будет искажать магнитный поток, а Фad размагничивать. Реакция якоря определяется путем разложения, рис. 260.

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *