Реакция якоря. Токи в обмотке якоря создают н.с., которая будет вращаться относительно якоря в ту же сторону и с такой же частотой

Токи в обмотке якоря создают н.с., которая будет вращаться относительно якоря в ту же сторону и с такой же частотой, что и н.с. обмотки возбуждения. Действительно, частота вращения н.с. якоря , а частота тока якоря , где п_п - частота вращения полюсов; отсюда, подставляя в первое равенство значение f из второго равенства, найдем, что n_я = п_п; направление вращения н.с. якоря зависит от порядка чередования фаз его обмотки (например А — В — C), а этот порядок чередования определяется направлением вращения полюсов.

Таким образом, н.с. якоря и н.с. обмотки возбуждения неподвижны одна относительно другой. Поле машины при нагрузке будет создаваться совместным действием обеих н.с. Оно будет отличаться от поля при холостом ходе.

Воздействие н.с. якоря на поле машины называется реакцией якоря.

Вначале будем рассматривать реакцию якоря, имея в виду качественную сторону этого явления. Количественный учет реакции якоря, так же как и внутренних падений напряжения в обмотке якоря, производится при помощи векторных диаграмм, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

Синхронный генератор может работать с отстающим или опережающим током по отношению к ЭДС , наведенной потоком полюсов , или с током, совпадающим по фазе с ЭДС .

Рассмотрим реакцию якоря при токе, совпадающем по фазе с ЭДС. На рисунке 3.8,а₁ изображены векторы тока , ЭДС и потока полюсов .

Угол между и , который будем обозначать через ψ, равен нулю. Здесь под ЭДС понимается та ЭДС, которая наводится в обмотке якоря потоком полюсов (потоком воздушного зазора) при холостом ходе. На рисунке 3.8,а₂ показаны полюсы машины и ее статор с одной фазой, причем фаза здесь заменена одной катушкой. При данном положении фазы относительно полюсов наведенная в ней ЭДС будет максимальной, так как поток полюсов, пронизывающий катушку в рассматриваемый момент времени, проходит через нулевое значение. Ток в фазе при j = 0 будет также максимальным. Ранее из рассмотрения созданной трехфазной обмоткой вращающейся н.с. было установлено, что ее ось (ее амплитуда) совпадает с осью той фазы, ток которой имеет максимальное значение. Следовательно, ось н.с. совпадает с осью катушки, показанной на рисунке 3.8,а₂.

На этом рисунке показаны индукционные линии поля, созданного обмоткой якоря. Их направление найдено по правилу буравчика в соответствии с направлением наведенного тока, которое определено по правилу правой руки. На рисунке 3.8,а₂ видно, что поле якоря по отношению к оси полюсов является поперечным. Намагничивающая сила якоря будет ослаблять поле на набегающей половине полюса, и усиливать его на сбегающей половине полюса.

Рассмотрим реакцию якоря при токе , отстающем на 90° от ЭДС (рис. 3.8,б₁).

Рис. 3.8. Реакция якоря: а - при ψ = 0; б - при ψ = ; в - при ψ = -

На рисунке 3.8, б₂ показано положение катушки (фазы) относительно полюсов для момента времени, когда ток катушки имеет максимальное значение. Ток катушки достигает максимального значения на четверть периода позднее, чем ЭДС, т.е. после того как полюсы сдвинутся вправо на половину полюсного деления относительно того положения, при котором ЭДС имеет максимальное значение. В рассматриваемом случае, как видно из рисунка 3.8, б₂, ось катушки совпадает с осью полюсов; следовательно, здесь н.с. и поле якоря будут продольными (действующими по оси полюсов). Намагничивающая сила якоря будет ослаблять поле, т.е. действовать размагничивающим образом.

Рассмотрим реакцию якоря при токе , опережающем ЭДС на 90° (рис. 3.8,в₁). Здесь ток будет иметь максимальное значение на четверть периода ранее, чем ЭДС, т.е. в катушке он будет максимальным тогда, как полюсы расположатся относительно катушки так, как показано на рисунке 3.8,в₂. Направление тока будет, очевидно, такое же, как и направление ЭДС, спустя четверть периода. На рисунке 3.8,в₂ видно, что н.с. якоря в этом случае будет также продольной (действующей по оси полюсов). Но она будет усиливать поле машины, т.е. будет действовать намагничивающим образом.

Рис. 3.9. Реакция якоря при j¹90°: а₁, а₂ - при отстающем токе (j>0); б₁, б₂ - при опережающем токе (j<0) (F_d - продольная н.с. якоря; F_q - поперечная н.с. якоря)

В общем случае, когда угол сдвига тока относительно ЭДС больше нуля, но меньше по абсолютному значению 90°, ток можно разложить на две составляющие Isinj и Icosj (рис. 3.9,a₁ и б₁) и рассматривать отдельно действие н.с., создаваемых каждой из этих составляющих (F_d и F_q на рисунках 3.9,а₂ и б₂, где F_a - н.с. якоря; ее ось совпадает с осью фазы, имеющей максимальный ток I_м).

Таким образом, приходим к следующим выводам: в генераторе при отстающем токе реакция якоря будет размагничивающей, а при опережающем токе - намагничивающей.

Рассмотрев реакцию якоря с качественной стороны, вначале выясним, какие поля будут иметь место в машине при ее нагрузке и что собой представляют внутренние падения напряжения в обмотке якоря. После этого перейдем к рассмотрению векторных диаграмм.

При холостом ходе поле в машине создается, как уже отмечалось, только обмоткой возбуждения. Большая часть индукционных линий этого поля проходит по главной магнитной цепи машины (воздушный зазор, зубцовый слой и ярмо статора, полюсы и ярмо ротора). Эту часть поля можно по аналогии с трансформатором назвать основным полем или полем взаимной индукции. Ему соответствует поток в воздушном зазоре или поток полюсов Ф₀. Поток полюсов и наведенную им ЭДС мы изобразили временными векторами Ф₀ и Е₀ (рис. 3.8, а₁, б₁, в₁).

Аналогию между трансформатором и синхронной машиной можно распространить и на работу машины с нагрузкой, так как в этом случае поле будет создаваться совместным действием н.с. обмоток возбуждения и якоря. Обе эти н.с. и создаваемое ими поле, неизменные во времени, но вращающиеся в пространстве, будут эквивалентны соответствующим н.с. и полю, переменным во времени, но неподвижным относительно обмотки якоря. Поэтому можно считать, что пространственный сдвиг между осями н.с., равный углу 90°+ψ (рис. 3.9), соответствует такому же сдвигу по фазе (во времени) этих н.с.

Синхронная машина, работающая с постоянным током возбуждения, аналогична трансформатору последовательного включения (трансформатору тока), работающему с постоянным первичным током.