Физическая природа реакций якоря

Магнитное поле синхронного генератора, работающего в режиме холостого хода, создается лишь намагничивающей силой обмотки возбуждения, и величина магнитного потока, как и конфигурация магнитного поля, зависит только от тока индуктора. У нагруженного генератора ток протекает не только по обмотке возбуждения, но и по обмотке якоря. Ток обмотки якоря создает свою намагничивающую силу и свою составляющую магнитного потока машины. Результирующее магнитное поле от действия намагничивающей силы обмотки возбуждения и намагничивающей силы обмотки статора будет отличаться от магнитного поля машины, работающей в режиме холостого хода.

Изменение конфигурации и интенсивности магнитного поля машины, вызванное током трехфазной обмотки якоря, называют реакцией якоря.

Генератор переменного тока может работать на нагрузку различного характера (резистивную, резистивно-индуктивную или резистивно-емкостную), поэтому следует рассмотреть реакцию якоря синхронного генератора при нагрузке различного характера. На рис. 7.8 изображены временные диаграммы ЭДС и токов при резистивной (рис. 7.8, а), индуктивной (рис. 7.8, б) и емкостной (рис. 7.8, в) нагрузке.

Рис. 7.8

В случае резистивной нагрузки ток фазной обмотки статора совпадает по фазе с ЭДС, наводимой в этой обмотке. При индуктивной нагрузке ток отстает от ЭДС на четверть периода, а в случае емкостной нагрузки ток опережает ЭДС по фазе на четверть периода.

На рис. 7.9 схематично представлено поперечное сечение синхронной четырехполюсной машины. Индуктор представлен в форме постоянного магнита, а на статоре для простоты расположены
пять проводников обмотки якоря.

Рис. 7.9

Ротор вращается по часовой стрелке. В момент времени ротор будет занимать положение, указанное на рис. 7.9, а. Магнитное поле индуктора представлено пунктирными силовыми линиями. Магнитное поле проводников представлено сплошными линиями.

При таком положении ротора ЭДС будет иметь максимальное значение в проводниках 1, 3, 5, 7 (рис. 7.9, а), находящихся в данный момент времени на осях симметрии полюсов. Направление ЭДС определено по правилу правой руки с учетом того, что проводник относительно магнитного поля перемещается снизу вверх. В проводниках 1 и 5 ЭДС направлена «от нас», а в проводнике 3
«к нам». При резистивной нагрузке в этот момент времени в этих же проводниках (1, 3, 5) ток будет иметь максимальное значение. Токи проводников обмотки якоря создадут свою составляющую магнитного поля, которое представлено сплошными силовыми линиями. Магнитное поле третьего проводника будет ослаблять магнитный поток возбуждения под нижним краем южного полюса, на оси которого расположен проводник 3, и усиливать магнитное поле под другим краем того же полюса. Результирующий магнитный поток будет несколько меньше магнитного потока машины из-за нелинейности кривой намагничивания магнитопровода машины. Этот эффект уже рассматривался в теории машин постоянного тока.

Если генератор нагрузить идеальной катушкой индуктивности, то ток в проводнике 3 в момент времени будет равен нулю (рис. 7.9, б). Максимальное значение тока положительного направления будет в проводнике 2 (см. рис. 7.9, б), т. е. там, где величина ЭДС была максимальной четверть периода раньше. Сила тока будет максимальной и в проводнике 4. Направление токов в проводниках показано точкой и крестиком на сечении проводников. Как следует из рисунка, силовые линии магнитного поля проводников направлены навстречу силовым линиям магнитного поля индуктора. Магнитный поток результирующего поля будет меньше, чем магнитный поток ненагруженной машины. Следовательно, при индуктивной нагрузке ток обмотки якоря ослабляет магнитное поле машины.

При емкостной нагрузке ток якорной обмотки отстает от ЭДС на четверть периода (рис. 7.9, в) и в момент времени токи проводников 1, 3, 5 будут равны нулю. В данный момент времени ток достигает максимального значения положительного направления в проводнике 2 и 4. Силовые линии магнитного поля реакции якоря будут совпадать по направлению с силовыми линиями поля индуктора, а результирующее поле будет более интенсивным (см. рис. 7.9, в).

Таким образом, если нагрузкой генератора являются только конденсаторы, то увеличение нагрузки приводит к усилению магнитного потока генератора.