Синхронной явнополюсной машины

Магнитное поле и параметры обмотки якоря

При нагрузке обмотка якоря синхронной машины создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря.

Направление этого поля по отношению к полюсам индуктора, то есть характер поля якоря определяется углом сдвига между током якоря и ЭДС .

Продольная и поперечная реакция якоря. Рассмотрим действие реакции якоря многофазной синхронной машины при установившейся симметричной нагрузке (рис. 2.4).

Для наглядности будем иметь в виду двухполюсную машину и предположим, что она работает в режиме генератора. Получаемые результаты нетрудно распространить также на двигательный режим работы. Ради простоты и наглядности на рис. 2.4 каждая фаза обмотки изображена в виде одного витка с полным шагом (А-Х, B-Y, C-Z), а магнитные линии поля возбуждения не показаны.

Сначала рассмотрим случай, когда угол сдвига фаз между током якоря и ЭДС , индуцируемой в обмотке якоря полем возбуждения, равен нулю (рис. 2.4). Ротор вращается с электрической угловой частотой

и при положении ротора, изображенном на рис. 2.4, ЭДС фазы максимальна. Так как , ток этой фазы также максимален и равен

; .

Направления токов нетрудно установить по правилу правой руки, и они указаны на рис. 2.4, а крестиками и точками. При этих направлениях токов магнитные линии поля реакции якоря в полюсах и теле якоря направлены, как показано на рис. 2.4, а, поперек оси полюсов . Следовательно, поток реакции якоря действует по поперечной оси. Такой характер поля реакции якоря при сохраняется при любом положении вращающегося ротора, так как ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно. Следовательно, при реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

Если ток отстает от ЭДС на , то максимум тока в фазе наступает на четверть периода позднее по сравнению со случаем на рис. 2.4, а когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке (рис. 2.4, б). Токи фаз на рис. 2.4, б имеют такие же значения, как и на рис. 2.4, а, вследствие чего и ориентация магнитного потока якоря в пространстве является такой же. Как видно из рис. 2.4, б, при отстающем токе и реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения чисто размагничивающей (продольная размагничивающая реакция якоря).

Если ток опережает ЭДС на , то максимум тока в фазе наступает по сравнению со случаем рис. 2.4, а на четверть периода раньше и в этот момент времени ротор занимает по сравнению с рис. 2.4, а положение, повернутое на 90° против направления вращения (рис. 2.4, в). Токи фаз на рис. 2.4, в имеют такие же значения, как и на рис. 2.4, а. Из рис. 2.4, в видно, что при опережающем токе и реакция якоря также действует по продольной оси, но является по отношению к полю возбуждения чисто намагничивающей, то есть она увеличивает поток по продольной оси машины (продольная намагничивающая реакция якоря).

При значениях угла , отличных от рассмотренных ранее, магнитное поле якоря будет произвольно ориентировано по отношению к осям симметрии ротора. Анализ такой картины магнитного поля якоря весьма затруднителен по причине магнитной несимметрии последнего. Для упрощения анализа одно такое сложное симметричное поле удобнее представить двумя симметричными магнитными полями, ориентированными по осям магнитной симметрии ротора – d и q. Taкой подход был предложен в 1895 г. французским электротехником А. Блонделем и получил название метода, или теории, двух реакций. Такой подход, строго говоря, правомерен, если магнитная цепь машины ненасыщенная, то есть линейная. При невыполнении этого условия метод двух реакций следует рассматривать как приближенный, дающий, однако, как показала практика, удовлетворительные результаты.

Суть метода двух реакций заключается в следующем. Вектор тока представляется двумя составляющими так, чтобы одна из них — совпадала по направлению с вектором , а другая – была ортогональна ему:

.

Такое разложение тока на составляющие показано на рис. 2.5. Составляющая называется поперечным током якоря, поскольку она создает поперечное поле якоря, а составляющая – продольным током якоря, поскольку она создает продольное поле. Из сказанного следует, что

,

.

Магнитные поля и ЭДС продольной и поперечной реакции якоря. Рассмотрим основные гармоники МДС якоря при симметричной нагрузке.

Продольный ток якоря создает продольную МДС якоря с амплитудой

, (2.13)

а поперечный ток создает поперечную МДС якоря с амплитудой

. (2.14)

МДС по формулам (2.13) и (2.14) можно рассматривать как составляющие полной МДС якоря

по осям и , причем

(2.15)

Максимум волны МДС совпадает с продольной, а максимум волны МДС – с поперечной осью (рис. 2.6, кривые 1). Если бы величина зазора была по всей окружности одинакова и равна его значению под серединой полюсного наконечника, то МДС и по (2.15) создали бы синусоидальные пространственные волны магнитного поля (кривые 2 на рис. 2.6) с амплитудами

(2.16)

Здесь коэффициенты насыщения и приняты разными для разных осей, так как условия насыщения по этим осям, вообще говоря, различны.

Вследствие неравномерности воздушного зазора действительные кривые индукции 3 на рис. 2.6, создаваемой синусоидальными волнами МДС и , не будут синусоидальными. Эти кривые можно разложить на гармоники = 1, 3, 5..., причем в виде кривых 4 представлены основные гармоники ( = 1) поля продольной и поперечной реакции якоря с амплитудами и . Все указанные гармоники поля вращаются синхронно с ротором и индуцируют в обмотке якоря ЭДС с частотами = .

Высшие гармоники ЭДС довольно малы, так малы соответствующие гармоники поля и, кроме того, уменьшению этих гармоник ЭДС способствуют укорочение шага и распределение обмотки якоря. Опыт показывает, что ЭДС, индуцируемые полями реакции якоря, в действительности практически синусоидальны.

Поэтому в теории синхронных машин учитывают только основные гармоники поля (кривые 4 на рис. 2.6.). Kак видно из рис. 2.6, неравномерность воздушного зазора приводит к уменьшению амплитуд основных гармоник полей реакции якоря, и поэтому отношения

меньше единицы, причем . Величины называются коэффициентами формы поля продольной и поперечной реакции

якоря соответственно и рассчитываются по картинам магнитного поля в зазоре. Кривые зависимостей представлены на рис. 2.7. Для неявнополюсной синхронной машины вследствие равномерностзазора .

Основные гармоники полей продольной и поперечной реакции якоря, (кривые 4 на рис. 2.6) создают потоки реакции якоря

,

.

Отсюда на основании равенств (2.15), (2.16) получим

(2.17)

Потоки и вращаются синхронно с ротором и индуктируют в обмотке статора ЭДС самоиндукции

,

(2.18)

,

которые называются ЭДС продольной и поперечной реакции якоря.

Подставив в выражение (2.18) значения потоков по (2.17) получим

(2.19)

Эти эдс можно также представить в виде:

;

(2.20)

.

На основании выражений (2.19),(2.20) получим

,

(2.21)

.

Здесь и – собственные индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответствующие полям продольной и поперечной реакции якоря при симметричной нагрузке и называемые соответственно индуктивными сопротивлениями продольной и поперечной реакции якоря.

Обратите внимание на то, что индуктивные сопротивления продольной и поперечной реакции якоря представляют собой эквивалентные индуктивные сопротивления фазы обмотки якоря с учетом взаимной индукции с другими фазами этой же обмотки. Этим сопротивлениям соответствуют эквивалентные индуктивности фазы обмотки

и .

Для ограничения влияния реакции якоря желательно, чтобы значения и не превосходили определенных пределов, поэтому размер зазора в синхронных машинах приходится делать больше, чем это допустимо по механическим и иным условиям. Необходимо, однако, иметь в виду, что увеличение требует усиления обмотки возбуждения, что связано с увеличением расхода обмоточного провода. В ряде случаев по причине затруднений при размещении обмотки

возбуждения требуется также некоторое увеличение габаритов машины. Поэтому уменьшение и ведет к удорожанию машины.

3. Приведение МДС и тока якоря (статора)

Дата добавления: 2014-11-29