Jede rotierende elektrische Maschine arbeitet nach dem Faradayschen Gesetz. Jede elektrische Maschine benötigt ein Magnetfeld und eine Spule (bekannt als Anker) mit einer Relativbewegung zwischen ihnen. Im Falle eines Generators liefern wir Strom an den Pol, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und die Ausgangsleistung wird dem Anker entnommen. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Feld und Anker unterbricht der Leiter der Anker den Fluss des Magnetfelds, und daher würde sich die Flussverknüpfung mit diesen Ankerleitern ändern. Nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion würde im Anker eine EMK induziert. Sobald also die Last mit Ankeranschlüssen verbunden ist, fließt ein Strom in der Ankerspule.
Sobald Strom durch den Ankerleiter fließt, gibt es einen umgekehrten Effekt dieses Stroms auf den Hauptfeldfluss des Generators (oder Synchrongenerators). Dieser umgekehrte Effekt wird als Ankerreaktion im Generator oder Synchrongenerator bezeichnet. Mit anderen Worten, die Wirkung des Anker- (Stator-) Flusses auf den von den Rotorfeldpolen erzeugten Fluss wird als Ankerreaktion bezeichnet.
Wir wissen bereits, dass ein stromführender Leiter sein eigenes Magnetfeld erzeugt, und dieses Magnetfeld beeinflusst das Hauptmagnetfeld des Generators.
Es hat zwei unerwünschte Effekte, entweder es verzerrt das Hauptfeld, oder es reduziert den Hauptfeldfluss oder beides. Sie verschlechtern die Leistung der Maschine. Wenn das Feld verzerrt wird, spricht man von einem Kreuzmagnetisierungseffekt. Und wenn der Feldfluss reduziert wird, wird dies als Entmagnetisierungseffekt bezeichnet.
Die elektromechanische Energieumwandlung erfolgt über das Magnetfeld als Medium. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Ankerleitern und dem Hauptfeld wird in den Ankerwicklungen eine EMK induziert, deren Größe von der Relativgeschwindigkeit und dem magnetischen Fluss abhängt. Aufgrund der Ankerreaktion wird der Fluss reduziert oder verzerrt, die induzierte Netto-EMK wird ebenfalls beeinflusst und daher verschlechtert sich die Leistung der Maschine.
Ankerreaktion im Generator
Bei einem Generator wie bei allen anderen Synchronmaschinen hängt die Wirkung der Ankerreaktion vom Leistungsfaktor ab, dh von der Phasenbeziehung zwischen Klemmenspannung und Ankerstrom.
Blindleistung (Lagging) ist die Magnetfeldenergie, wenn also der Generator eine nacheilende Last liefert, bedeutet dies, dass er der Last magnetische Energie liefert. Da diese Leistung aus der Erregung der Synchronmaschine stammt, wird die Nettoblindleistung im Generator reduziert.
Daher ist die Ankerreaktion entmagnetisierend. In ähnlicher Weise wirkt die Ankerreaktion magnetisierend, wenn der Generator eine führende Last liefert (da die führende Last die führende VAR übernimmt) und im Gegenzug dem Generator eine nacheilende VAR (magnetische Energie) gibt. Bei rein ohmscher Last ist die Ankerreaktion nur kreuzmagnetisierend.
Die Ankerreaktion des Generators oder Synchrongenerators hängt vom Phasenwinkel zwischen dem Statorankerstrom und der induzierten Spannung an der Ankerwicklung des Generators ab.
Die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Größen, d.h. Ankerstrom und –spannung können von – 90o bis + 90o
variieren, wenn dieser Winkel θ ist, dann,
Um den tatsächlichen Effekt dieses Winkels auf die Ankerreaktion des Generators zu verstehen, betrachten wir drei Standardfälle,
- Wenn θ = 0
- Wenn θ = 90o
- Wenn θ = – 90o
Ankerreaktion des Generators bei Einheitsleistungsfaktor
Bei Einheitsleistungsfaktor ist der Winkel zwischen Ankerstrom I und induzierter EMK E Null. Das heißt, Ankerstrom und induzierte EMK sind in der gleichen Phase. Theoretisch wissen wir jedoch, dass die im Anker induzierte EMK auf einen sich ändernden Hauptfeldfluss zurückzuführen ist, der mit dem Ankerleiter verbunden ist.
Da das Feld durch Gleichstrom erregt wird, ist der Hauptfeldfluss in Bezug auf Feldmagnete konstant, würde sich jedoch in Bezug auf den Anker abwechseln, da im Generator eine Relativbewegung zwischen Feld und Anker stattfindet. Wenn der Hauptfeldfluss des Generators in Bezug auf den Anker als
dargestellt werden kann, ist die induzierte emk E über den Anker proportional zu dφf/ dt.
Aus diesen obigen Gleichungen (1) und (2) ist daher klar, dass der Winkel zwischen φf und induzierter emk E 90o beträgt.
Nun ist der Ankerfluss φa proportional zum Ankerstrom I. Daher ist der Ankerfluss φa in Phase mit dem Ankerstrom I.
Wieder bei Einheit sind der elektrische Leistungsfaktor I und E in derselben Phase. Bei diesem Zustand ist der Ankerfluss in Phase mit induzierter emk E und der Feldfluss in Quadratur mit E. Daher ist der Ankerfluss φa in Quadratur mit dem Hauptfeldfluss φf.
Da diese beiden Flüsse senkrecht zueinander stehen, ist die Ankerreaktion des Generators bei einem Leistungsfaktor rein verzerrend oder kreuzmagnetisierend.
Da der Ankerfluss den Hauptfeldfluss senkrecht drückt, bleibt die Verteilung des Hauptfeldflusses unter einer Polfläche nicht gleichmäßig verteilt. Die Flussdichte unter den nachlaufenden Polspitzen nimmt etwas zu, während sie unter den vorlaufenden Polspitzen abnimmt.
Ankerreaktion des Generators bei verzögertem Nullleistungsfaktor
Bei verzögertem Nullleistungsfaktor verzögert sich der Ankerstrom um 90o gegenüber induzierter EMK im Anker.
Da die emk in der Ankerspule aufgrund des Hauptfeldflusses induziert wird, führt die emk den Hauptfeldfluss um 90o. Aus Gleichung (1) erhalten wir den Feldfluss,
Daher ist bei wt = 0 E maximal und φf ist Null.
Bei wt = 90o ist E Null und φf hat einen Maximalwert.
Bei wt = 180o ist E maximal und φf Null.
Bei wt = 270o ist E Null und φf hat einen negativen Maximalwert.
Hier hat φf den Maximalwert 90o vor E. Daher führt φf E um 90o.
Jetzt ist der Ankerstrom I proportional zum Ankerfluss φa und I hinkt E um 90o hinterher. Daher hinkt φa E um 90o hinterher.
Daraus kann geschlossen werden, dass der Feldfluss φf E um 90o führt.
Daher wirken Ankerfluss und Feldfluss einander direkt entgegengesetzt. Somit ist die Ankerreaktion des Generators bei einem nacheilenden Leistungsfaktor von Null ein rein entmagnetisierender Typ. Das bedeutet, dass der Ankerfluss den Hauptfeldfluss direkt schwächt.
Ankerreaktion des Generators bei führendem Leistungsfaktor
Bei führender Leistungsfaktorbedingung führt der Ankerstrom „I“ induzierte emk E um einen Winkel 90o. Wieder haben wir nur gezeigt, Feldfluss φf führt, induzierte emk E um 90o.
Wieder ist der Ankerfluss φa proportional zum Ankerstrom I. Daher ist φa in Phase mit I. Daher führt der Ankerfluss φa auch E um 90o als I führt E um 90o.
Da in diesem Fall sowohl der Ankerfluss als auch der Feldfluss führen, induzierte emk E um 90o, es kann gesagt werden, Feldfluss und Ankerfluss sind in der gleichen Richtung. Daher ist der resultierende Fluss einfach arithmetische Summe von Feldfluss und Ankerfluss. Daher kann endlich gesagt werden, dass die Ankerreaktion des Generators aufgrund eines rein führenden elektrischen Leistungsfaktors der magnetisierende Typ ist.
Art der Ankerreaktion
- Der Ankerreaktionsfluss ist konstant und dreht sich mit synchroner Drehzahl.
- Die Ankerreaktion ist kreuzmagnetisierend, wenn der Generator eine Last mit einem Leistungsfaktor versorgt.
- Wenn der Generator eine Last mit einem führenden Leistungsfaktor liefert, ist die Ankerreaktion teilweise entmagnetisierend und teilweise kreuzmagnetisierend.
- Wenn der Generator eine Last mit einem führenden Leistungsfaktor liefert, ist die Ankerreaktion teilweise magnetisierend und teilweise kreuzmagnetisierend.
- Der Ankerfluss wirkt unabhängig vom Hauptfeldfluss.