Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 5 из 42)
Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле синхронной машины называют реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины м.д.с. обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и т.д. Рассмотрим, как проявляется реакция якоря при двух основных конструктивных формах синхронных машин – неявнополюсных и явнополюсных.
Неявнополюсная машина. В этой машине величина воздушного зазора между статором и ротором по всей окружности остается неизменной, поэтому результирующий магнитный поток машины Фрез и создаваемая им э.д.с. Е при любой нагрузке могут быть определены по характеристике холостого хода исходя из результирующей м.д.с. Fрез. Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Фрез может быть существенно упрощен, так как от сложения указанных м.д.с. можно перейти к непосредственному векторному сложению соответствующих потоков:
Фрез=Фв+Фа,
как это показано на рис. 1.18 и 1.19.
Рис. 1.18 – Реакция якоря в неявнополюсной машине при различных условиях нагрузки
При ψ= 0 (рис. 1.18, а и 1.19, а) ток в фазе А – Xдостигает максимума в момент времени, когда оси полюсов N иSсовпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармоник магнитных полей.
Кривая распределения индукции Ba = f(x) для двухполюсной машины будет смещена относительно кривой индукции Bв = f(x) в пространстве на 90°, т.е. поток якоря Фа действует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Фв (поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называют продольной и обозначают буквами d–d; ось, проходящую между полюсами, называют поперечной и обозначают q – q. Следовательно, при ψ = 0 поток якоря действует по поперечной оси машины, размагничивая одну половину каждого полюса и подмагничивая другую. Кривая распределения результирующей индукции Bрез = f(x) при этом сдвигается относительно кривой Bв = f(x) против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на временной векторной диаграмме, т.е. вектор
отстает от вектора потока возбуждения 
на 90°. Вектор результирующего потока 
; его модуль
При ψ = 90° (рис. 1.18, б и 1.19, б) ток в фазе А–Xдостигает максимума на 1/4 периода позднее момента, соответствующего максимуму э.д.с. Е0. За это время полюсы ротора перемещаются на 1/2 полюсного деления, вследствие чего кривая Ba = f(x) смещается относительно кривой Bв = f(x) на 180°. При этом поток якоря
действует по продольной оси машины против потока возбуждения ; результирующий поток 
сильно уменьшается, вследствие чего уменьшается и э.д.с. якоря Ė. Таким образом, при ψ = 90° реакция якоря действует на машину размагничивающим образом.При ψ = – 90° (рис. 1.18, в и 1.19, в) поток якоря также действует по продольной оси машины, но совпадает по направлению с потоком возбуждения. Следовательно, реакция якоря действует на машину подмагничивающим образом, увеличивая ее результирующий поток
и э.д.с. Ė.Выводы, полученные при рассмотрении трех случаев нагрузки, можно распространить и на общий случай, когда –90° < ψ < 90°. При этом характерным является то, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагничивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагничивает ее.
Э.д.с. Е при работе генератора под нагрузкой можно рассматривать как сумму двух составляющих:
. (1.12)
Рис. 1.19 – Кривые распределения индукции в неявнополюсной машинеи векторные диаграммы потоков и э. д. с. при различных углах ψ
Э.д.с. Еапропорциональна потоку Фа, т.е. току 1ав обмотке якоря, поэтому ее можно рассматривать как э.д.с. самоиндукции, индуктированную в обмотке якоря, и представить в виде
,где ха– индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком реакции якоря.
Явнополюсная машина. В этой машине воздушный зазор между статором и ротором не остается постоянным, так как он расширяется по направлению к краям полюсов и резко увеличивается в зоне междуполюсного пространства. По этой причине поток якоря здесь зависит не только от величины м.д.с. Faякоря, но и от положения кривой распределения этой м.д.с. Fa = f (x) относительно полюсов ротора, так как одна и та же м.д.с. якоря в зависимости от ее пространственного положения создает различный магнитный поток. Так, например, при угле ψ = 0 (рис. 1.20, а), когда поток якоря направлен по поперечной оси машины, кривая распределения индукции Ba=Baqимеет седлообразную форму, хотя м.д.с. Fаякоря распределена синусоидально. При этом максимуму м.д.с. Fa соответствует небольшая индукция, так как магнитное сопротивление воздушного зазора максимально. При угле ψ = 90° (рис. 1.20, б), когда поток якоря направлен по продольной оси машины, кривая распределения индукции Ва= Badрасположена симметрично относительно оси полюсов. В этом случае индукция имеет большее значение, чем при ψ = 0, так как магнитное сопротивление воздушного зазора в данном месте невелико. Соответственно различные максимальные значения будут иметь и первые гармоники Bad1и Ваq1указанных кривых.
Рис. 1.20 – Кривые распределения м. д. с. реакции якоряи создаваемых ею индукций в явнополюсной машине
Чтобы избежать трудностей, связанных с изменением результирующего сопротивления воздушного зазора при различных режимах работы машины, при анализе работы явнополюсной синхронной машины следует использовать так называемый метод двух реакций. Согласно этому методу, м.д.с. Faв общем случае представляют в виде суммы двух составляющих: продольной Fad = Fasinψи поперечной Faq = Facosψ(рис. 1.21, а), причем Fa = Fad+ Faq. Продольная составляющая Fadсоздает продольный поток якоря Фаd, индуктирующий в обмотке якоря э.д.с. Ead,а поперечная составляющая Faq– поперечный поток Фаq, индуктирующий э.д.с. Eaq,причем принимают, что эти потоки не оказывают влияния друг на друга. В соответствии с принятым методом ток якоря Iа, создающий м.д.с. Fа, также представляют в виде двух составляющих: продольной Idи поперечной Iq(рис. 1.21, б).
Рис. 1.21 – Разложение векторов м.д.с. и тока якоря на продольную ипоперечную составляющие
Величину магнитных потоков Фаdи Фаq и индуктируемых ими э.д.с. Eadи Eaqможно определить по кривой намагничивания машины или по спрямленной характеристике (рис. 1.22). Однако кривая намагничивания строится для м.д.с. возбуждения Fв, имеющей не синусоидальное, а прямоугольное распределение вдоль, окружности якоря. Чтобы воспользоваться указанной кривой или спрямленной характеристикой, м.д.с. Fadи Faqследует привести к прямоугольной м.д.с. возбуждения Fв, т.е. найти их эквивалентные значения Fad' и Faq'.
Установление эквивалентных значений Fad' и Faq' производят на основании следующих соображений: м.д.с. Fadи Faqсоздают в воздушном зазоре машины индукции Badи Ваq,распределенные вдоль окружности якоря так же, как и индукции, создаваемые м.д.с. Fасоответственно при углах ψ = 0 и ψ = 90о (см. рис. 1.20, а, б). Первые гармоники Bad1и Baq1кривых Bad = f(x) и Baq = f(x) образуют магнитные потоки