Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного генератора

Векторная диаграмма напряжений имеет большое значение для анализа работы синхронной машины. Она позволяет определять изменение напряжения синхронного генератора. С помощью диаграммы напряжений можно определить условия работы машины в различных режимах без соответствующих испытаний. Она позволяет получить расчетным путем основные характеристики машины. Векторная диаграмма позволяет определить угол фазового сдвига ЭДС, наводимой полем возбуждения, и напряжения на ее зажимах.

При построении векторных диаграмм используют следующие положения теории электрических цепей:

а) падение напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки изображают вектором, длина которого пропорциональна току обмотки, а начальная фаза совпадает с начальной фазой тока;

Рис. 7.13

б) магнитный поток рассеяния, пропорциональный току статорной обмотки, наводит в обмотке ЭДС, величина которой пропорциональна току этой обмотки. Вектор этой ЭДС отстает от тока на 90 °. На векторных диаграммах эту ЭДС представляют в форме падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния . Вектор падения напряжения опережает ток на 90 ° (рис. 7.13) и равен ;

в) магнитный поток реакции якоря, тоже пропорциональный току в машинах с неявно выраженными полюсами, наводит свою ЭДС в фазной обмотке машины. На векторных диаграммах эту ЭДС представляют в форме падения напряжения на реактивном сопротивлении реакции якоря или ;

г) в машинах с явно выраженными полюсами продольная и поперечная составляющие намагничивающих сил создают свои ЭДС в обмотках, и эти ЭДС представляются в форме падений напряжений на продольном и поперечном реактивном сопротивле-нии и .

Для построения векторной диаграммы используются два способа.

В соответствии с первым каждая намагничивающая сила рассматривается отдельно и создает свой собственный магнитный поток, который, в свою очередь, порождает свою электродвижущую силу. Таким образом, получают четыре независимых потока:

а) поток возбуждения Φ создает основную ЭДС ;

б) магнитный поток продольной составляющей реакции якоря создает свою ЭДС;

в) поток поперечной составляющей реакции якоря создает свою ЭДС;

г) магнитный поток рассеяния.

В соответствии с теорией двух реакций Блонделя все потоки, созданные током нагрузки , раскладываются на продольную и поперечную составляющие.

Оценку реакции якоря синхронной машины по продольной и поперечной оси осуществляют по сопротивлениям реакции якоря ( и ), которые являются основными параметрами синхронной машины.

По второму способу прежде всего определяют результирующую намагничивающую силу генератора и после нахождения результирующего потока зазора определяют ЭДС, наводимую в машине. Диаграмма намагничивающих сил, полученных таким образом, называется диаграммой Потье или диаграммой электро- и магнитодвижущих сил.

Необходимо отметить то, что векторные диаграммы синхронного генератора могут быть использованы для анализа её работы в режиме двигателя или синхронного компенсатора.

7.5.1. Диаграмма электродвижущих и намагничивающих сил трехфазных синхронных генераторов
с неявно выраженными полюсами

В настоящем и последующих разделах векторные диаграммы будем строить для одной фазы трехфазной системы напряжений.

Рис. 7.14

Построим диаграмму трехфазного асинхронного генератора для случая активно-индуктивной нагрузки . Направим вектор напряжения на зажимах генератора по положительной оси ординат (рис. 7.14) и проведем вектор тока отстающим от вектора напряжения на угол .

Проведем вектор ЭДС , созданной магнитным потоком возбуждения . Вектор магнитного потока опережает вектор ЭДС на угол 90 °. Сопротивление реакции якоря синхронного генератора с неявно выраженными полюсами по продольной и поперечной оси одинаково и равно .

Реальная ЭДС обмотки статора нагруженного генератора равна разности или .

Выходное напряжение генератора определяется из уравнения

;

,

где – реактивное сопротивление рассеяния;

– активное сопротивление фазной обмотки.

Рис. 7.15

Рис. 7.15 представляет векторную диаграмму напряжений для случая емкостной нагрузки, когда ток опережает напряжениена угол .

Сравнивая диаграммы, мы видим, что при индуктивной нагрузке реакция якоря действует на систему возбуждения размагничивающе. Реальная ЭДС нагруженного генератора меньше ЭДС генератора, работающего в режиме холостого хода.
При емкостной нагрузке генератора (см. рис. 7.15) реакция якоря имеет намагничивающее действие. Реальная ЭДС генератора больше ЭДС холостого хода.

7.5.2. Векторная диаграмма ЭДС трехфазного
синхронного генератора с явно выраженными
полюсами (диаграмма Блонделя)

В машинах с явно выраженными полюсами намагничивающая сила реакции якоря создает поток реакции якоря, который, в свою очередь, наводит в обмотках ЭДС реакции якоря. В соответствии с методом Блонделя намагничивающая сила реакции якоря должна быть представлена в виде суммы двух составляющих. Продольная и поперечная составляющие зависят от геометрической формы полюсов. С помощью коэффициентов поля реакции якоря и находят продольную и поперечную составляющие реакции, отнесенные к обмотке возбуждения

и .

Рис. 7.16

Эти составляющие реакции якоря и порождают магнитные потоки и , которые наводят ЭДС в обмотке статора. Это разложение по составляющим позволяет построить диаграмму напряжений для машины с явно выраженными полюсами таким же методом, как и для машин с неявно выраженными полюсами.

На рис. 7.16 представлена векторная диаграмма напряжений генератора, нагруженного индуктивной нагрузкой. Диаграмма построена следующим образом.

Разложим ток на поперечную составляющую , которая совпадает по направлению с вектором ЭДС , и продольную составляющую , которая отстает от ЭДС на .

Рис. 7.17

Продольный поток и поперечный поток , порожденные соответствующими токами, создают ЭДС и .

Коэффициенты реакции якоря и
не равны между собой. По этой причине вектор реакции якоря опережает ток на угол, который отличается от 90 °, тогда как в машинах с неявно выраженными полюсами падение напряжения реакции якоря сдвинуто по отношению к току точно на 90 °.

На рис. 7.17 представлена диаграмма напряжений при емкостной нагрузке. Строится эта диаграмма аналогично предыдущей.