Магнитное поле и параметры обмотки якоря синхронной машины

 

При симметричной нагрузке многофазной СМ обмотка якоря создает магнитное поле, которое вращается с той же частотой и в ту же сторону что и ротор (поле возбуждения). В результате возникает результирующее магнитное поле СМ. Воздействие поля обмотки якоря на поле индуктора называется реакцией якоря. Собственное поле якоря называется полем реакции якоря.

При изучении явления реакции якоря существуют определенные трудности из-за магнитной несимметрии в явнополюсной СМ. В этом случае, магнитное сопротивление по оси полюсов, т.е. по продольной оси d, значительно меньше магнитного сопротивления по поперечной оси q. В результате одна и та же по величине МДС создает по оси d значительно больше поле, чем по оси q. Приходиться также считается с электрической несимметрией. ОВ расположена по оси d и действует исключительно по этой оси. Это приводит к необходимости рассматривать действие реакции якоря отдельно по осям d и q.

 

а)Продольная и поперечная реакции якоря.

Рассмотрим явления реакции реакций якоря на примере трехфазной двухполюсной СМ, работающей в режиме генератора. Изобразим картины поля реакции якоря, соответствующие различному характеру нагрузки машины

(рис. 3.5). Фазные обмотки примем одновитковыми с полным шагом. Обозначения фаз ; ; .

Положение ротора изображенное на рис. 3.5,а относительно статора соответствует чисто активной нагрузке. В этом случае ток статора совпадает с ЭДС, т.е. . В данном случае, ток и ЭДС максимальны в фазе U. Линии поля якоря замыкается поперек оси полюсов, и весь поток реакции якоря оказывается поперечным. В данном случае реакцию якоря называют поперечной. Такое положение поля якоря остается неизменным при вращении ротора в виду синхронности их вращения.

Рис. 3.5,б соответствует чисто индуктивной нагрузке. Ток отстает от ЭДС на . Ток максимален в фазе U, но он достигает этого значения четверть периода спустя по сравнению с рис. 3.5,а, т.е. когда ротор повернется по часовой стрелке на 90°. Линии поля якоря замыкается вдоль оси полюсов, т. е. по продольно в оси d. Причем поле якоря направлено встречно полю возбуждения. Поток реакции якоря является целиком продольным размагничивающим.

Рис. 3.5,в – соответствует чисто ёмкостной нагрузке. Ток опережает ЭДС и . Ток в фазе U наступает на четверть периода раньше чем в случае

(рис. 3.5.а), т. е. в момент, когда ротор оказался повернутым на угол 90° против часовой стрелки. Линии поля якоря в данном случае замыкаются по продольной оси, но согласно с полем индуктора. Поэтому весь поток реакции якоря является продольно-намагничивающим.

В общем случае нагрузка имеет смешанный характер, активно-индуктивный или активно-емкостной (рис. 3.6). Допустим, нагрузка активно-индуктивная, то есть . В этом случае, ток статора разлагают на две составляющие: продольную и поперечную . Обычно эти токи называют продольным и поперечным токами якоря.

б) Магнитное поле и ЭДС реакции якоря по продольной и поперечной осям. Продольный ток якоря создает МДС якоря с амплитудой

(рис. 3.7,а)

.

Поперечный ток создает МДС с амплитудой (рис. 3.7,б)

.

Полная амплитуда МДС статора

.

Если бы воздушный зазор был равномерным, то продольная и поперечная МДС создавали бы синусоидально распределенные в пространстве магнитные поля (рис. 3.7, кривые 2) с амплитудами:

,

,

где и – удельные магнитные проводимости по продольной и поперечной осям.

Однако, в виду неравномерности воздушного зазора магнитные поля создаваемые по продольным и поперечным осям будут не синусоидальными и неодинаковыми по форме (рис. 3.7, кривые 3).

Из действительных кривых распределения продольного и поперечного полей, т. е. кривых 3, при анализе выделяют 1-е гармоники этих полей с амплитудами и (рис. 3.7, кривые 4).

Отношения , называют коэффициентами формы продольного и поперечного поля.

В результате будем иметь:

,

.

Этим гармоникам соответствуют продольный и поперечный потоки реакции якоря:

,

.

Потоки и вращаются синхронно с ротором и наводят в обмотках статора ЭДС продольной и поперечной реакции якоря:

,

.

 

в) Индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной оси.

Продольную и поперечную ЭДС реакции якоря можно представить в виде

, ,

где и – индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной оси.

При этом

,

.

В комплексной форме можно записать

, .

Если насыщение магнитной цепи отсутствует, т. е. , то и значения индуктивных сопротивлений, соответствующих этому случаю, называют ненасыщенным значениями и обозначают , . Тогда

, .

В случае неявнополюсной СМ: , и, следовательно, .

Построим векторную диаграмму потоков, ЭДС и токов (рис. 3.8). При этом учтем, что результирующий поток воздушного зазора и результирующая ЭДС будут:

,

.

– основной поток,

Е – ЭДС возбуждения.

 

в) Индуктивные сопротивления рассеяния обмотки якоря. Синхронное индуктивное сопротивление.

Кроме полей реакции якоря, линии которые проходят по сердечнику статора, ротора и воздушному зазору, обмотка якоря создает и поля рассеяния. Они сцепляются лишь с обмоткой статора и не проникают через воздушный зазор. Полное поле рассеяния обмотки якоря состоит из полей рассеяния:

1) пазового (рис. 3.9,а),

2) лобового (рис. 3.9,б),

3) дифференциального (от высших гармоник).

Поле рассеяния индуктирует в обмотке якоря ЭДС рассеяния ,

где – индуктивное сопротивление рассеяния якоря. Эту ЭДС можно разложить на продольную и поперечную составляющие, а именно

; .

Учтем, что и , а так же и попарно совпадают по фазе и их можно сложить арифметически:

,

.

Векторная диаграмма ЭДС и потоков рассеяния будет иметь вид (рис. 3.10).

Здесь и – полные ЭДС самоиндукции обмотки якоря по продольной и поперечной осям,

, – синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям. Сопротивления и в основном определяются сопротивлениями и , так как мало по сравнению с ними. Поэтому эти сопротивления существенно зависят от реакции якоря. Чем сильнее действует реакция якоря, тем больше и . С целью увеличения запаса устойчивости, при параллельной работе СМ, эти сопротивления следует уменьшать. Это можно осуществить за счет увеличения воздушного зазора, но машина становится дороже.