что такое реакция якоря в синхронных машинах

Реакция якоря синхронной машины

Рис. 5. Конструкция синхронного генератора

Рис.3. Кривая изменения магнитной индукции в воздушном зазоре.

В общем случае, когда машина имеет р пар полюсов и вращается с частотой n оборотов в минуту, ЭДС и ток в контуре изменяются с частотой:

f=pn/60.

Постоянные магниты (см. рис.1) применяются только в синхронных генераторах малой мощности. В большинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух колец, размещенных на валу и изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис.4).

Рис.4. Электромагнитная схема синхронного генератора

На рис.5 представлена конструкция синхронного генератора с явновыраженными полюсами на роторе.

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0 и якоря F₁, при этом МДС якоря воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму.

Воздействие МДС обмотки 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 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).

Источник

Что такое реакция якоря в синхронных машинах

В результате смещения часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и нейтралью окажется под полюсом противоположной полярности и будет создавать тормозной момент.

Изменение нагрузки машины будет приводить к изменению тока якоря и соответствующему усилению или ослаблению его магнитного поля. Поэтому угол будет изменяться с нагрузкой.

Помимо смещения нейтрали реакция якоря уменьшает общий магнитный поток за счет того, что поле под главными полюсами искажается. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим усиливается, но усиление поля в результате насыщения края полюса оказывается меньше ослабления и результирующий магнитный поток уменьшается, что отрицательно сказывается на энергетических показателях машины.

Наиболее эффективным средством уменьшения влияния реакции якоря является компенсационная обмотка. Она укладывается в специальные пазы главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря. Магнитное поле компенсационной обмотки направлено встречно и, как следует из ее названия, компенсирует магнитное поле якоря. Ток компенсационной обмотки равен току якоря, поэтому компенсация происходит при всех режимах от холостого хода до полной нагрузки. В результате поле машины под главными полюсами остается практически неизменным. Однако в межполюсном простанстве часть МДС якоря остается не скомпенсированной и оказывает отрицательное влияние на работу щеточно-коллекторного узла. Компенсация реакции якоря в этой области осуществляется применением добавочных полюсов. Компенсационные обмотки сильно усложняют и удорожают машину, поэтому они используются только в специальных двигателях средней и большой мощности.

Другим способом компенсации является увеличение зазора между краями главных полюсов и якорем. Для сохранения потока при увеличении зазора требуется увеличение МДС обмотки возбуждения. Это приводит к увеличению полюсов, катушек и в целом к ухудшению массогабаритных показателей. Увеличение зазора используют в машинах малой и средней мощности.

Источник

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 статора I₁, 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 ЭДС на 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

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 МДС F_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 кВ А при напряжении 6,3 кВ, если его четырехполюсная обмотка статора с обмоточным коэффициентом k_об1 = 0,92 содержит в каждой фазе по w₁ = 312 последо­вательно соединенных витков. Нагрузка генератора номинальная при cos = ψ₁0,8.

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,35 13,76 312 0,92 / 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

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:

; (20.17)

. (20.18)

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

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):

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

Здесь x_ad и x_aq — индуктивные сопротивления реакции якоря явнополюсной машины: по продольной оси

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

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.