Если обмотку возбуждения синхронного генератора подключить к источнику постоянного тока, то намагничивающей силой обмотки возбуждения будет создано основное магнитное поле, характеризуемое, магнитным потоком Ф. Линии магнитной индукции основного поля проходят по сердечникам ротора и статора и по воздушному зазору (см.рис.4.1.), При вращении ротора с постоянной скоростью с помощью первичного двигателя магнитное поле тоже будет вращаться. В результате в трех фазах обмотки статора будут индуктироваться ЭДС сдвинутые относительно друг друга на 120°: Чтобы эти ЭДС изменялись во времени по синусоидальному закону, необходимо чтобы индукция вдоль зазора распределялась по синусоидальному закону. Это достигается в машинах с явными полюсами выбором определенной формы полюсных наконечников; в машинах с неявнополюсным ротором за счет соответствующего распределения обмоток возбуждения по пазам сердечника ротора. Действующее значение и частота синусоидальной ЭДС индуцированной в одной фазе обмотки ротора вращающимся магнитным полем может быть определено по формуле; Е0 = сƒФ0. ,
здесь n - скорость вращения ротора и магнитного поля,
Р - число пар полюсов,
w - число витков фазной обмотки статора,
r - обмоточный коэффициент,
Ф0 - магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения.
Для получения частоты ƒ=50Гц при различных скоростях ротора делается соответствующее число пар полюсов - у турбо генераторов, n=3000 об/мин,р=1, у гидрогенераторов n=50-700 об/мин, р=60-4.Если к обмотке якоря подключить потребитель электрической энергии, то под действием ЭДС в фазах обмотки якоря и потребителя появляются токи: генератор начинает отдавать потребителю электрическую энергию. Величины токов и их фазовые соотношения зависят, кроме ЭДС и параметров генератора от величины и характера нагрузки. Если нагрузка чисто активная, то фазный ток Iф и ЭДС Еф совпадают по фазе. При работе генератора с нагрузкой, намагничивающие силы трехфазной обмотки якоря возбуждают вращающее магнитное поле якоря. Число пар полюсов статора и ротора равны, а значит n0 - скорость вращения магнитного поля статора равна скорости вращения поля обмотки возбуждения и скорости ротора n.
Рис. 7.2
Приданной нагрузке взаимное расположение полей ротора и статора остаются постоянными, при изменении нагрузки оно меняется. Воздействие намагничивающей силы обмотки якоря на результирующее магнитное поле называется реакцией якоря.
Таким образом, у синхронных машин скорость поля статора равна скорости ротора. Будем считать, что сердечник ротора и статора ненасыщенны, тогда Φо - прямо пропорционален току возбуждения, а Фπ прямо пропорционален току якоря. Результирующей магнитный поток складывается из потока обмотки якоря. Благодаря взаимодействию потока якоря Фπ проводника с током в обмотке возбуждения на ротор действует электромагнитный момент. Для определения этого момента воспользуемся упрощенной картиной двухполюсного генератора.
Рис. 7.3
Обмотка якоря каждой фазы заменена одним витком. Ротор вращается со скоростью n под действием вращающегося момента Мвр первичного двигателя. На рис.7.3. (а) изображено такое положение ротора (и Ф0), при котором ЭДС еа имеет максимальное значение и направлена от конца Х и к началу а фазной обмотки, ЭДС фазы С- ес направлена от начала С к концу Z, ЭДС фазы В.Так же от начала В к концу y (считаем, что нагрузка чисто активная, и токи совпадают по фазе с ЭДС). Значит ток Ia в этот мамонт времени максимален и направлен от Х кА. Направление токов определяет направление магнитного потока Фπ. Так как электромагнитный момент возникает от взаимодействия магнитного потока якоря Фπ, и тока возбуждения Iв, то направление его можно определить по правилу левой руки, определить направление силы действующей на проводники обмотки возбуждения. Электромагнитный момент направлен против скорости вращения ротора и, соответственно, вращающего момента, значит, момент генератора является тормозным. При установившемся рабочем режиме Мвр=М. Если при изменении нагрузки изменяется, то для того, чтобы оставались постоянными ƒ и E0, вращающий момент первичного двигателя тоже необходимо изменить. Величина момента генератора зависит от угла сдвига фаз между током якоря Iπ и ЭДС фазы якоря Е0.При φ= -90° и φ = 90°, как показано на рис.4.3. (б. в.), момент М=0.Если ток отсечет от ЭДС на угол φ = 90° , то максимум тока в фазе а наступит через четверть периода после того как была максимальная ЭДС ротора повернута на 90° против часовой стрелки (см.рис.7.3,(6)). Токи в фазах B и С имеют такое же значение, как и в первом случае, поэтому картина магнитного потока Фπ, такая же. В этом случае ток Iπ взаимодействует с магнитным потоком Ф0 сила Лоренца F = BIlsinφ, направленной по диаметру машины от центра, М=0. Если же ток опережает напряжение, φ=-90°, силы действующего на ротор будут направлены по диаметру к центру М = 0. Момент генератора зависит от характера нагрузки и максимален, если нагрузка чисто активная.