Рис. 3-27. Характеристика холостого хода и построение диаграммы Потье
Изложенные в предыдущих параграфах элементы расчета магнитной цепи дают возможность построить характеристику холостого хода, т. е. характеристику напряжения на зажимах машины в зависимости от тока намагничивания при холостом ходе машины. Такое построение является обязательным при проектировании любой электрической машины. Типичная характеристика холостого хода для синхронной машины показана на рис. 3-27. Касательная к начальной части характеристики, является характеристикой воздушного зазора.
Характеристика холостого хода строится для основного потока, проходящего по продольной оси машины, т. е. для оси, совпадающей с магнитной осью обмотки возбуждения. Машина, работающая под нагрузкой, возбуждает магнитное поле в воздушном зазоре как со стороны ротора, так и со стороны статора. Магнитные оси обмоток ротора и статора в этом режиме, как правило, сдвинуты в пространстве. Однако при обычных расчетах пользуются кривой намагничивания машины но продольной оси, т. е. кривой холостого хода, и методом наложения тока намагничивания и тока реакции якоря определяют результирующий ток под нагрузкой.
Существует несколько практических методов определения тока возбуждения под нагрузкой с учетом насыщения. При этом считают, что насыщение магнитной цепи машины можно определить с помощью характеристики холостого хода по э. д. с. за индуктивным сопротивлением хσ1 или хр. При этом предполагается, что реальный поток, обусловливающий насыщение машины, определяется величиной э. д. с. Еσi или Ер. Полученные таким образом токи возбуждения хорошо согласуются с опытом.
Рис. 3-28. Построение результирующей н. с. под нагрузкой двухполюсного турбогенератора
1 — н. с. якоря (основная полна), 2 — н. с. возбуждения, 3 — результирующая н. c.
Наиболее употребительным практическим метолом по определению тока возбуждения при нагрузке является диаграмма Потье.
При построении такой диаграммы предполагается, что поток, соответствующий внутренней э. л. с. Ер, вызывает насыщение определяемое по характеристике холостого хода. Точность построения диаграммы будет определяться правильным выбором фиктивного сопротивления хр.
Рис. 3-29. Форма поля в воздушном зазоре двухполюсного турбогенератора под нагрузкой
Характеристика намагничивания реальной машины под нагрузкой будет в большей степени зависеть от рассеяния обмотки возбуждения, чем при холостом ходе. Для учета этого обстоятельства вводят фиктивное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора хр, которое должно быть больше сопротивления рассеяния обмотки статора хσ1 и тем самым должно учесть повышенное насыщение машины при нагрузке по сравнению с холостым ходом.
Как показано в [2-10], хр обычно составляет 0,8—0,85. Переходное сопротивление х'd рассчитывается в этом случае обычным методом без учета насыщения.
Построение диаграммы Потье показано на рис. 3-27, где при построении токовой диаграммы токи повернуты относительно э. д. с. по часовой стрелке. Замыкающий вектор iн будет представлять ток возбуждения при номинальной нагрузке, номинальном напряжении и номинальном коэффициенте мощности и, следовательно, будет поминальным током возбуждения. В соответствии с диаграммой Потье он может быть определен по формуле:
где ίρ —ток характеристики холостого хода, соответствующий напряжению Ер; iad—ток реакции якоря по продольной оси и ψ=φ+α .
Существуют и другие аналогичные способы построения диаграмм н. с. для определения токов возбуждения под нагрузкой синхронных машин.
В частности, при расчете явнополюсных синхронных машин пользуются так называемой шведской диаграммой. При построении этой диаграммы определяют токи возбуждения при нагрузке в двух точках: cos φ = 0 и cos φ =1. При этом индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора принимается равным действительному сопротивлению обмотки статора χσ1. Построение шведской диаграммы представлено на рис. 9-9.
Рис. 3-30. Картина поля при продольной реакции якоря (а) и при поперечной реакции якоря (б)
При уточненных расчетах магнитных цепей рекомендуется построение магнитного потока в воздушном зазоре под нагрузкой. Такому построению должно предшествовать определение тока возбуждения и рабочего угла машины, например, с помощью диаграммы Потье. Построение поля в воздушном зазоре под нагрузкой может быть осуществлено при некоторых упрощающих допущениях.
В частности, н. с. реакции якоря замещается первой гармонической. Допускается также, что расчет н. с., необходимой для проведения потока через ярмо ротора и статора, в первом приближении может производиться, как дли синусоидального распределения потока в зазоре.
Рис. 3-31. Форма поля в воздушном зазоре синхронной явнополюсной машины под нагрузкой
Построение может производиться следующим образом. Для неявнополюсной машины с помощью диаграммы э. д. с. определяют взаимное расположение осей ротора и статора. Н. с. реакции якоря основной гармонической и н. с. обмотки возбуждения в виде ступенчатой кривой определяют результирующую н. с. и положение нейтрали (рис. 3-28).
Построение поля в воздушном зазоре при заданном значении и. с. в воздушном зазоре осуществляют обычным способом, как и для режима холостого хода [2-10]. Форма поля под нагрузкой двухполюсного турбогенератора показана на рис. 3-29. Искажение формы поля относительно вертикальной оси происходит из- за того, что результирующий поток оказывается сдвинутым относительно продольной оси ротора. Магнитное сопротивление малых зубцов ротора существенно выше, чем большого зубца. Выделение первой гармонической приводит к смещению основной гармонической потока относительно основной гармонической н. с. и воздушном зазоре.
Для явнополюсных машин характерным является различие в магнитной проводимости по продольной и поперечной осям даже без учета насыщения. Магнитное сопротивление по продольной оси будет существенно выше, чем по поперечной. Картина поля для продольной и поперечной реакции якоря синхронной явнополюсной машины показана на рис. 3-30. Форма поля в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины показана на рис. 3-31.
Построение поля в воздушном зазоре под нагрузкой представляет достаточно трудоемкую операцию. Принципы такого построения достаточно подробно изложены в [3-1], а также отчасти в [3-2] и [2-10]. Наиболее удобно осуществлять такие построения с помощью ЭВМ.
