Холостой ход синхронного генератора

При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения, причем он направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах симметричной об­мотки статора (якоря) ЭДС , действующие значения которых равны по величине, т.е.: , и определяются фор­мулой:

,

где  - частота ЭДС;  - число пар полюсов ротора;  - скорость вра­щения ротора в оборотах в минуту;  - число вит­ков в фазе;  - обмоточный коэффициент, учиты­вающий, что витки фазы распределены по пазам сер­дечника статора и могут иметь шаг по пазам, укоро­чен­ный по сравнению с диаметральным, .

При небольших токах возбуждения  магнитный поток  мал и сталь­ные участки магнитопровода ма­шины 1,рис.63,не насы­щены, вследствие чего их магнитное сопротивление незначи­тельно. В этом случае магнитный поток практически определяется только магнитным со­противлением воздуш­ного зазора 2 между ротором и статором, а характери­стика холостого хода при , или в другом масштабе, кривая намагничивания машины , является линейной, рис.64. По мере возрастания тока возбуждения и, соответст­венно, магнитного потока увеличива­ется магнит­ное сопротивление стальных уча­стков магнито­провода.

При ин­дукции в стали бо­лее 1,5—1,7 Тл магнитное сопротивле­ние стальных участ­ков 2 сильно возрас­тает и ха­ракте­ристика холо­стого хода ста­новится не­линей­ной. Номи­наль­ный режим работы син­хронных генера­торов прибли­зи­тельно со­ответствует «ко­лену» кри­вой ха­рактеристики холо­стого хода. При этом ко­эф­фициент насыщения , т. е. отношение отрезков ав/аб, составляет 1,1 — 1,4.

Из закона электромагнитной индукции , следует, что индуктированная синусоидальным магнитным потоком ЭДС отстает по фазе на 90⁰  от магнитного по­тока, рис.65.

На стадии проектирования и конструиро­вания машин переменного тока применяются специальные меры направленные на то, чтобы индуктированная в обмотке ста­тора ЭДС изме­нялась во времени по синусои­дальному закону. К основным таким мерам можно отнести:

- выполнение у явнополюсных синхрон­ных генераторов их полюсных наконечников с ра­диусом, несколько меньшим, чем радиус воздушного зазора, рис.63;

- применение распределенной по пазам обмотки статора с укороченным шагом;

- выполнение скоса пазов сердечника статора;

- соединение фаз обмотки статора «звездой».

 

§2. Реакция якоря (статора) синхронного генератора

Далее рассматривается трехфазный синхронный генератор (СГ), рабо­тающий на симметричную нагрузку так, что все фазы обмотки нагружены равномерно, т. е. в них наводятся одина­ковые ЭДС и проходят равные по значению и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120° токи.

В режиме холостого хода в СГ существует только один магнитный по­ток , созданный обмоткой возбуждения. При нагрузке по обмотке статора (якоря) протекает ток и создает свой магнитный поток , который враща­ется синхронно с ротором и называется потоком реакции якоря.

Реакцией якоря СГ называется воздействие магнитного потока якоря на основной магнитный поток возбуждения. В результате реакции якоря, поток возбуждения может ослабляться, усиливаться или искажаться, что значи­тельным образом влияет на характеристики генератора.

Ротор явнополюсной синхронной машины (СМ) имеет магнитную не­симметрию, так как из-за большого межполюсного пространства магнитное сопротивления потоку, действующему по поперечной оси  значительно больше магнитного сопротивления потоку, действующему по продольной оси . Кроме этого, роторы явнополюсной и неявнополюсной СМ имеют электрическую несимметрию, поскольку их обмотки возбуждения располо­жены только по продольной оси.

Ввиду несимметричного магнитного и электрического устройства ро­тора возникает необходимость рассматривать действия реакции якоря по продольной и поперечной осям в отдельности.

Метод такого рассмотрения называется методом двух реакции. Он осно­ван на принципе наложения, при котором предполагается, что магнитные по­токи, действующие по поперечной оси, не влияют на значения потоков дей­ствующих по продольной оси, и наоборот.

Влияние реакции якоря зависит от характера нагрузки подключенной к СГ, т.е. от угла  ме­жду ЭДС  и током обмотки якоря . Так при чисто активной нагрузке, , магнитный поток реак­ции якоря  действует по поперечной оси , рис.66, и называется поперечной реакцией якоря. Поперечная реакция якоря вызывает иска­жение кривой поля в воздушном зазоре и при насыщен­ной магнитной сис­теме, уменьшает результи­рующий магнитный поток и ЭДС СГ.

При чисто индуктивной нагрузке, , ток отстает по фазе от ЭДС и в СГ действует продольно-размагничивающая реакция якоря, рис.67, которая значительно уменьшает результирующий магнитный поток и в большей мере снижает напряжения на зажимах генера­тора.

В случае наиболее характерной для СГ активно-индуктивной нагрузки рассматри­вают отдельно влияние активной и индук­тивной составляющих тока нагрузки. Для этого, ток , раскладывают на две состав­ляющие, рис.68:

первая из которых  называется про­дольной составляющей тока или про­дольным током якоря и создает продоль­ную реакцию якоря, а вторая  называ­ется поперечной составляющей тока или поперечным током якоря и создает попе­речную реакцию якоря. Эти токи создают соответствующие им потоки реакции якоря: ток  продольный размагничи­вающий поток , ток - поперечный поток , рис.68. Потоки  и вращаются синхронно с ротором и индуктируют в обмотке якоря ЭДС самоиндукции -  и , которые называются ЭДС продольной и попе­речной реакции якоря.

Векторная диаграмма токов, по­токов и ЭДС для синхронного генера­тора при активно-индуктивной на­грузке изображена на рис.69,  где  - ЭДС, индуктированная в обмотке якоря потоком , созданным током возбуждения . Исходя из общего правила построения векторных диа­грамм, потоки совпадают по фазе с создающими их токами, а ЭДС отстают от потоков на . На рис.69 показан вектор результирующего потока в СГ:

.

Этот поток индуктирует в обмотке якоря результирующую ЭДС:

.

ЭДС  и  можно выразить через индуктивные сопротивления и со­ответствующие токи:

где  и  - собственные индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответствующие потокам продольной и поперечной реакции якоря при симметричной нагрузке, которые называются соответственно индуктив­ными сопротивлениями продольной и поперечной реакции якоря.

Для неявнополюсной синхронной машины ввиду равномерности воздуш­ного зазора .

Кроме собственных индуктивных сопротивлений, соответствующих по­токам реакции якоря , существуют индуктивные сопротивления рассеяния , соответствующие потокам рассеяния , которые  индуктируют ЭДС само­индукции в обмотки якоря -  и .

ЭДС и ,  и  совпадают по фазе, поэтому их можно по­парно сложить арифметически и получить составляющие полной ЭДС само­индукции по осям  и :

,

где  и  - продольное и поперечное синхронные индуктивные сопро­тивле­ния обмотки якоря. Обычно  вследствие того, что , а сопротивление рассеяния  одинаково для токов и .

В неявнополюсных машинах индуктивное сопротивление якоря, соответствующее полному потоку якоря , обозначают (или  ):

и называют синхронным индуктивным сопротивлением якоря.