Уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора

Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только током возбуждения в обмотке ротора, но и токами в фазных обмотках статора (якоря). Следовательно, в синхронных машинах, как и в машинах постоянного тока, имеет место реакция якоря — воздействие МДС якоря на основное магнитное поле машины. Форма кривой ЭДС, индуктируемой в фазной обмотке нагруженного генератора, зависит не только от распределения поля ротора вдоль, окружности машины, но и от распределения поля статора. Последнее также должно быть по возможности синусоидальным для того, чтобы результирующее поле и кривая ЭДС нагруженной машины были синусоидальны.

Ток в фазных обмотках статора нагруженного синхронного генератора создает падения напряжений на индуктивном и активном сопротивлениях обмоток. Индуктивное сопротивление фазной обмотки статора определяется потокосцеплением рассеяния и магнитным потоком реакции якоря.

Индуктивное сопротивление рассеяния фазной обмотки статора определяется потокосцеплением рассеяния статора ψ_рас. Это потокосцепление, как и в асинхронной машине, есть часть потокосцепления фазной обмотки статора, определяемая магнитными линиями, замыкающимися помимо ротора поперек пазов, по коронкам зубцов и вокруг лобовых частей обмотки статора (см. рис. 14.13). Линии поля рассеяния проходят значительную часть пути в воздухе. Поэтому можно считать, что потокосцепление рассеяния пропорционально току статора и совпадает с ним по фазе. Потокосцепление рассеяния, индуктирует в фазной обмотке статора ЭДС рассеяния Е_рас, отстающую по фазе от этого потокосцепления на 90°. Можно выразить напряжение, уравновешивающее ЭДС рассеяния, через ток статора I и индуктивное сопротивление рассеяния х_рас (2.33):

Падение напряжения на индуктивности рассеяния в синхронных машинах составляет при номинальной нагрузке 10—15 и даже до 20 % номинального фазного напряжения. Значительное индуктивное сопротивление рассеяния, обусловливающее это падение напряжения, полезно, так как в случаях коротких замыканий между выходными выводами генератора оно ограничивает ток. Активное сопротивление фазной обмотки статора весьма мало. Обычно падение напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки при номинальной нагрузке составляет для больших генераторов 1—2 % номинального фазного напряжения. В большинстве расчетов им можно поэтому пренебречь; мы будем учитывать его лишь в некоторых случаях.

Как уже упоминалось, на ЭДС фазы синхронной машины влияет реакция якоря. Физически в синхронной машине существует лишь одно результирующее магнитное поле, складывающееся из магнитного поля ротора, магнитного поля рассеяния статора и магнитного поля реакции якоря. Но целесообразно рассматривать эти магнитные поля как существующие независимо друг от друга, создающие с фазной обмоткой статора независимые потокосцепления и индуктирующие в ней соответствующие ЭДС. Таким образом, в нагруженном синхронном генераторе потокосцепление ротора ψ_o индуктирует в фазной обмотке статора ЭДС Е_о, равную ЭДС холостого хода, потокосцепление рассеяния ψ_рас индуктирует ЭДС Е_рас и, наконец, потокосцепление реакции якоря ψ_р,я индуктирует в обмотке статора некоторую ЭДС Е_р, я. Наиболее простые соотношения мы получим, если не будем учитывать влияния гистерезиса и насыщения магнитопровода на потокосцепление якоря (статора) и, следовательно, примем в этом случае, что потокосцепление якоря пропорционально току якоря I и совпадает с ним по фазе. В действительности это вполне справедливо лишь для ненасыщенного магнитопровода синхронной машины. При этом можно выразить ЭДС реакции якоря Е_р,_я так же, как ЭДС рассеяния Е_рас, т. е. через ток I и некоторое индуктивное сопротивление х_я, и считать, что:

Напряжение jx_яi представляет собой то напряжение, которое нужно для преодоления ЭДС реакции якоря.

При таком истолковании процессов ЭДС Ё_о, индуктируемая в фазной обмотке потокосцеплением W_o, равна сумме напряжений jx_расi и jx_яj на индуктивных сопротивлениях х_рас и х_я фазной обмотки, напряжения r_вi на активном сопротивлении витков фазной обмотки и напряжения между выводами фазной обмотки синхронного генератора О. Следовательно, уравнение электрического состояния фазы статора синхронного генератора есть:

где х_рас + х_я = х — индуктивное сопротивление фазной обмотки статора, называемое синхронным реактивным (индуктивным) сопротивлением. У синхронной машины с ненасыщенным магнитопроводом это — относительно постоянная величина.