Меню

Расчет реакции якоря генератора



Расчет реакции якоря генератора

§ 115. Реакция якоря синхронного генератора

Основной магнитный поток машины — это поток возбуждения, создаваемый обмоткой ротора. При отсутствии нагрузки этот поток является единственным потоком машины.

При нагрузке синхронного генератора по обмотке статора (якоря) проходит ток I, который создает свой магнитный поток. Этот поток оказывает значительное влияние на магнитное поле машины в целом, изменяя его по величине или искажая его распределение. Такое действие магнитного потока статора (якоря) на поток полюсов ротора называется реакцией якоря.

Рассмотрим три характерных случая:

1. К генератору присоединена активная нагрузка. Ток I совпадает по фазе с э.д.с., индуктированной в обмотке статора.

Рассмотрим момент, когда обе стороны катушки однофазной обмотки оказались над серединами полюсов (рис. 277, а) * .

* ( Для наглядности здесь представлена часть цилиндрической поверхности статора и ротора в развернутом виде.)


Рис. 277. Реакция якоря синхронного генератора при различных характерах нагрузки

В этот момент э.д.с. катушки имеет максимальное значение, а так как нагрузка генератора чисто активная, то и ток в катушке будет иметь максимальное значение. Направление магнитных линий вокруг проводников катушки статора определяется по правилу «буравчика». Из чертежа видно, что поле статора размагничивает набегающий край полюсов и намагничивает сбегающий край полюсов. Этот случай носит название поперечной реакции якоря.

2. Генератор нагружен чисто индуктивной нагрузкой. При этом ток отстает от э.д.с. на 90° (рис. 277, б). Максимум тока наступает в момент, когда полюсы успевают отойти от соответствующих проводников на расстояние, равное половине полюсного деления * .

* ( Полюсным делением называется расстояние между осями смежных полюсов N и S.)

Из чертежа видно, что магнитный поток статора направлен навстречу потоку полюсов вдоль их оси и, следовательно, ослабляет магнитное поле машины. Этот случай носит название продольно-размагничивающей реакции якоря.

3. Генератор нагружен чисто емкостной нагрузкой. При этом ток опережает э.д.с. на 90° (рис. 277, в).

Максимум тока наступает в момент, когда полюсы не дойдут до соответствующих проводников на расстояние, равное половине полюсного деления.

Из чертежа видно, что магнитный поток статора направлен согласно с потоком полюсов вдоль их оси и, следовательно, усиливает магнитное поле машины. Этот случай носит название продольно-намагничивающей реакции якоря.

В действительности нагрузка носит смешанный характер. Поэтому магнитный поток реакции якоря будет иметь как поперечную, так и продольную составляющие.

Таким образом, реакция якоря синхронного генератора зависит от характера нагрузки, т. е. от сдвига фаз между индуктированной в статоре э.д.с. и его током.

Влияние реакции якоря на работу синхронного генератора зависит от величины нагрузочного тока I, протекающего по обмотке статора. С ростом индуктивной нагрузки усиливается размагничивающее действие реакции якоря, а с ростом емкостной нагрузки усиливается намагничивающее действие реакции якоря.

Источник

Реакция якоря синхронного генератора

Воздействие магнитного поля обмотки якоря, на магнитное поле созданное обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Действие реакции якоря зависит от характера нагрузки: активной ( ), индуктивной ( ), емкостной ( ) или смешанной ( или ).

Рассмотрим реакцию якоря на примере однофазного двухполюсного синхронного генератора.

Ток обмотки возбуждения создает магнитный поток Фf, который направлен по продольной оси полюса d (определяется по правилу буравчика). Этот поток, вращаясь с синхронной частотой вместе с ротором, индуктирует в обмотке якоря ЭДС Еf, вектор которой отстает на периода от вектора потока Фf . Под действием ЭДС Еf по обмотке якоря и нагрузке генератора протекает ток якоря .При активной нагрузке, ток в обмотке якоря совпадает по фазе с ЭДС . Векторная диаграмма потоков и ЭДС имеет следующий вид:

Поток реакции якоря Фа направлен перпендикулярно потоку возбуждения — имеет место поперечная реакция якоря. Поперечная реакция якоря приводит к искажению результирующего поля машины. Магнитное поле ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса. Результирующий магнитный поток машины уменьшается. Это ведет к уменьшению ЭДС.

Читайте также:  Генератор для лодочного мотора микатсу

Максимальное значение тока и потока Фа будет соответствовать максимальной ЭДС Еf , когда стороны секции обмотки якоря находятся посередине полюса, что соответствует вертикальному расположению ротора.

При индуктивной нагрузке, ток статора отстает от ЭДС по фазе на 90 0 .

Поток реакции якоря направлен вдоль оси полюса ротора противоположно основному потоку . Поток якоря ослабляет поле машины и реакция якоря оказывает продольно-размагничивающее действие.

Когда ток статора достигнет максимума, ротор успеет дополнительно провернуться на 90 0 относительно оси обмотки якоря.

При емкостной нагрузке, ток статора опережает ЭДС на 90 0 .

Потоки статора и обмотки возбуждения будут совпадать. Магнитное поле машины усиливается, реакция якоря — продольно-намагничивающая.

Ток будет максимальным тогда, когда ротор еще не довернется до вертикального положения на 90 0 .

При смешанной активно-индуктивной нагрузке ( ), ротор успеет повернуться на некоторый угол ψ прежде, чем ток статора достигнет максимума (рис. 6.8). Из векторной диаграммы МДС видно, что вектор МДС реакции якоря отстает от ЭДС на угол ψ.

Разложим МДС реакции якоря на составляющие по продольной и поперечной осям машины.

;

При активно-индуктивной нагрузке продольная составляющая реакции якоря направлена встречно, а при активно-емкостной согласно основному магнитному потоку.

10 Рассмотрим 2 принципиальных случая:

— при ненасыщенной магнитной системе, когда действие реакции якоря приводит только к искажению магнитного потока.

— при насыщенно магнитной цепи, когда под действием поля якоря основной магнитный поток в воздушном зазоре уменьшается под действием поля якоря. Для упрощения расчетов вводится параметр – линейная нагрузка.

Iпр — ток проводника, Da – диаметр окружности якоря, А – ток якоря, приходящийся на единицу длины окружности якоря (A\м).

1. Действие реакции якоря при ненасыщенной магнитной цепи: По общему правилу за положительное направление магнитной индукции принимается такое, когда магнитный поток из воздушного зазора поступает в якорь. Поскольку магнитная система ненасыщенна, индукция основного магнитного потока и реакции якоря должны быть сложены.

Индукция по окружности якоря под действием поля якоря распределяется неравномерно. Повышается напряжение между соседними коллекторными пластинами, что может отрицательно сказаться на коммутации электрической машины. Индукция в воздушном зазоре остается неизменной. Физическая нейтраль относительно геометрической нейтрали по направлению вращения якоря на угол α, величина этого угла определяется током нагрузки якоря.

При отсутствии насыщения можно пренебречь МДС стальных участков, учитывать только МДС воздушного зазора.

.2 При насыщенной магнитной цепи.

Цепь насыщена, поэтому нельзя решить этот вопрос складыванием индукции основного магнитного потока и от поля якоря, в этом случае строится переходная характеристика

Площадь ABCDEF – магнитный поток в воздушном зазоре.

Уменьшение магнитного потока под действием поля якоря приводит к уменьшению ЭДС на зажимах генератора. Качественные и количественные оценки реакции якоря применимы и для двигательного режима работы с учетом того, что ток и ЭДС направлены в противоположные стороны. 1. У набегающего края полюса магнитные потоки будут складываться, у сбегающего вычитаться.

2. Сдвиг щеток с нейтрали по направлению вращения якоря приводит к появлению продольной намагничивающей составляющей якоря, в связи с этим в двигательном режиме сдвиг щеток с геометрическо

Источник

1.3. Особенности реакции якоря однофазных синхронных генераторов

При протекании тока по обмотке якоря однофазного генера­тора создается неподвижная в пространстве и пульсирующая во времени м.д.с. Fa. Такую м.д.с., как указывалось, можно представить в виде двух м.д.с., вращающихся в противоположные стороны с синхронной скоростью, с амплитудами, равными поло­вине амплитуды пульсирующей м.д.с.

Читайте также:  Бензин генераторы для дома расход

Одну составляющую м.д.с., вращающуюся в ту же сторону, что и ротор машины, называют прямосинхронной м.д.с. якоря, вторую составляющую м.д.с., вращающуюся против направления вращения ротора, — обратносинхронной (или инверсной) м.д.с. якоря.

Рис. 1.9. Конструктивные схемы демпферных обмоток

Прямосинхронная м.д.с., будучи неподвижной относительно полюсов, проявляет себя в зависимости от характера нагрузки так же, как и м.д.с. якоря в трехфазной машине.

Поток обратносинхронной м.д.с., вращаясь с двойной син­хронной скоростью относительно полюсов, наводит в обмотке ро­тора и сердечниках полюсов токи двойной частоты, обуславли­вающие дополнительные потери и увеличение нагрева генератора.

Токи двойной частоты, наводимые в обмотке возбуждения (вихревые токи в стали ротора малы из-за сравнительно большого сопротивления контуров, по которым они протекают), обуславливают, по правилу Ленца, поток, направленный навстречу обратно синхронному потоку. Вследствие этого величина обратносинхронного потока резко уменьшается; однако лишь в те моменты, когда это поле совпадает с осью полюсов.

Для обеспечения нормальной работы машины обратносинхронный поток демпфируется не обмоткой возбуждения, а специ­альной демпферной (успокоительной) обмоткой (рис.1.9.).

В машинах с явно выраженными полюсами демпферные обмотки выполняются в виде короткозамкнутых витков с малым сопротивлением, охватывающих сердечники полюсов (рис.1.9. а), или в виде клеток из медных стержней, уложенных в пазах по­люсных наконечников и соединенных между собой по торцам либо только в пределах полюсного наконечника (рис.1.9. б), либо об­щими кольцами по всей окружности полюсных наконечников (рис.1.9. в). В том случае, когда клетка имеется только в преде­лах полюсных наконечников, токами в короткозамкнутых витках ее демпфируется обратносинхронный поток лишь по оси полюсов. Если же стержни клетки замкнуты общими кольцами по всей окружности полюсных наконечников, то обратносинхронный по­ток демпфируется также и по поперечной оси токами в короткозамкнутых витках, образуемых стержнями двух смежных полюсов.

В машинах с неявно выраженными полюсами роль стержней демпферной обмотки играют обычно бронзовые клинья, с по­мощью которых укрепляется обмотка возбуждения в пазах ро­тора. На торцовых концах клинья замыкаются специальными кольцами или бандажными крышками.

Следует отметить, что при работе трехфазного генератора при несимметричной нагрузке также появляется обратносинхронное магнитное поле. Поэтому для его демпфирования и в трехфазных генераторах применяют демпферные обмотки.

1.4. Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного

генератора при симметричной нагрузке

Колебание напряжения генератора от номинального значения затрудняет работу потребителей электроэнергии. Поэтому важно уметь рассчитать м.д.с. возбуждения, чтобы скомпенсировать изменение напряжения, обусловливаемое влиянием реакции яко­ря, э.д.с. от потоков рассеивания и падением напряжения на ак­тивном сопротивлении обмотки якоря. Эта и ряд других практи­чески важных задач решаются с помощью векторных диаграмм. Так как основным фактором, обусловливающим изменение на­пряжения, является реакция якоря, влияние которой различно для машин различного конструктивного исполнения, то прихо­дится рассматривать в отдельности векторные диаграммы для машин обоих типов.

Рис. 1.10. Векторные диаграммы напряжений синхронного генератора с явно выраженными полюсами:

Полагая нагрузку симметричной, в дальнейшем будем иметь в виду лишь одну фазу машины и только для нее строить вектор­ную диаграмму. При этом в целях упрощения будем полагать магнитную систему ненасыщенной. В этом случае можно приме­нить метод наложения (суперпозиции) и считать, что м.д.с. полюсов и якоря создают самостоятельные потоки, существующие независимо один от другого и индуктирующие в обмотке якоря самостоятельные э.д.с., а реальный поток в воздушном зазоре машины при нагрузке представляет собой геометрическую сумму частичных потоков.

Исходя из метода двух реакций, можно считать, что в обмот­ке якоря машины с явно выраженными полюсами индуктируются следующие э.д.с.:

а) от основного потока полюсов ;

б) от потока якоря по продольной оси ;

в) от потока якоря по поперечной оси ;

Читайте также:  Сколько должен выдавать генератор волга

г) от потока рассеивания якоря . Таким образом, диаграмма напряжений приобретает вид, ана­логичный показанному на рис. 1.10, a.

Коэффициенты пропорциональности xad, xaq и xS здесь представляют собой индуктивные сопротивления реакции якоря, эквивалентные действию потоков якоря по продольной и поперечной осям, а также потока рассеивания.

Заменяя Es ее составляющими по продольной и поперечной осям и и пренебре­гая падением напряжения на активном сопротивлении Ir , можно привести векторную диаграмму синхронного генератора к виду, изображенному на рис. 1.10, б. Отрезки АК. и KG здесь соответ­ственно равны:

входящие в полученные выше соотношения, называются соответственно синхронными индуктивными сопротивлениями по продольной и поперечной осям машины. Они являются параметрами синхронной машины с явно выра­женными полюсами и служат для оценки ее свойств.

В генераторах с неявно выраженными полюсами магнитное сопротивление воздушного зазора одинаково по всей окружности и потому нет необходимости (в отличие от машин с явно выра­женными полюсами) разделять поток реакции якоря Фa на про­дольную Фad и поперечную Фaq составляющие. Если для такой машины построить векторную диаграмму, полагая, что в якоре индуктируются э.д.с.:

а) от основного потока полюсов ;

б) от потока якоря ;

в) от потока рассеивания якоря ,

то она будет иметь вид, изображенный на рис. 1.11,а. Из ана­лиза этой диаграммы следует, что действие потоков Фa и ФS можно учесть одной величиной

где

Векторная диаграмма в этом случае (рис. 1.11, б) называется упрощенной, а xC — синхронным индуктивным со­противлением.

При практическом использовании описанных диаграмм для решения поставленной выше задачи по определению м.д.с. воз­буждения поступают следующим образом. Откладывают вектор тока I под углом φ, к нему проводят вектор напряжения U. Строят векторы падений напряжений на активном сопротивле­нии Ir и индуктивном сопротивлении рассеивания ES. Затем в зави­симости от типа машины определяют и откладывают падение напряжения – Еa или — Еq и — Еd. В результате получают э.д.с. холостого хода E., по которой с помощью характеристики холо­стого хода находят необходимую м.д.с. возбуждения. Основная трудность при этом заключается в определении величины Еa или Еq и Еd.. Это делается по характеристике холостого хода. По оси абсцисс характеристики холостого хода откладывается м.д.с. возбуждения. В машинах с неявно выраженными полюсами м.д.с. возбуждения распределена по полюсному делению по закону трапеции, а в машинах с явно выраженными полюсами — по закону четырехугольника. Поэтому в первом случае по оси аб­сцисс характеристики холостого хода будут отложены высоты соответствующих трапецеидальных кривых, во втором — четырехугольников. Кривая м.д.с. обмотки якоря, как подчеркивалось выше, близка к синусоиде.

Рис. 1.11. Векторные диаграммы напряжений синхронного генератора с неявно выраженными полюсами:

а – основная; б – упрощенная.

Следовательно, чтобы воспользоваться характеристикой холостого хода для определения э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря потоками, созданными м.д.с. якоря, необходимо привести эту м.д.с. к м.д.с. возбуждения, т. е. найти ту эквивалентную м.д.с. полюсов (высоту трапеции или четырехугольника), которая создавала бы ту же основную гармонику магнитного потока, что и м.д.с. якоря. Анализ показывает, что это можно сделать с помощью соотношений:

где — амплитуда м.д.с. якоря трехфазной машины на пару полюсов;

При сравнении синхронных машин различного конструктивно­го исполнения, а также различных напряжений и мощностей при­нято выражать указанные выше параметры в относительных еди­ницах:

где UH , IH — номинальные значения напряжения и тока. Для авиационных машин нормального исполнения мощностью от 7,5 до 120 кВА средние значения отдельных параметров обычно равны R=0,07-0,03; XS=0,3-0,1; Xd=0,9—1,5. Для машин с неявно выраженными полюсами проводимость си­ловых линий поля якоря по осям dd и qq практически оди­накова и поэтому можно полагать, что .

Источник