Синхронная машина: устройство и принцип работы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Синхронная машина -- это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор -- таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов -- электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсамимашины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали. Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самымвихревые токи.

синхронный машина генератор магнит



1. Синхронные машины

Как было указано ранее, синхронные машины используют в качестве как генераторов, так и двигателей. Мощность современных синхронных трехфазных генераторов, применяемых на электростанциях, составляет десятки - сотни тысяч, а в некоторых случаях 1 млн. кВА и более.

Синхронные двигатели обычно бывают большой мощности, иногда применяют синхронные микродвигатели в устройствах, требующих поддержания строгого постоянства частоты вращения, например для привода вводных и выводных устройств электронно-вычислительных машин, а также различных устройств автоматики, измерительной техники и т. д.

Синхронные машины также используют в качестве синхронных компенсаторов, т. е. машин, работающих в режиме холостого хода и отдающих в сеть реактивную мощность. Синхронные компенсаторы служат для повышения коэффициента мощности (соsц) электрических установок промышленных предприятий и стабилизации напряжения в электрических сетях, ибо перевозбужденная синхронная машина в режиме холостого хода по отношению к сети эквивалентна конденсатору. Недовозбужденная синхронная машина, работающая вхолостую, по отношению к сети эквивалентна индуктивности. Действительно, изменяя ток возбуждения синхронной машины, можно менять реактивную мощность, отдаваемую синхронным компенсатором в сеть или потребляемую им из сети. Поэтому, изменяя реактивный ток, можно изменять потерю напряжения в сети, к которой присоединен компенсатор, т. е. производить стабилизацию напряжения сети.

Синхронные машины, используемые в качестве генераторов, соединяют жестко непосредственно с первичными двигателями, приводящими во вращение генераторы на электростанциях, т. е. с паровыми и газовыми турбинами, гидротурбинами. Генераторы, соединяемые с паровыми или газовыми турбинами, получили название турбогенераторов, а с гидротурбинами - гидрогенераторов. Турбогенераторы обычно имеют большую частоту вращения (1500-3000 об/мин), частота вращения гидрогенераторов меньшая.

Синхронные двигатели и генераторы состоят из двух основных частей: статора и ротора. Устройство статора синхронной машины принципиально не отличается от устройства статора асинхронной машины. Ротор представляет собой электромагнит, к обмотке которого подводится постоянный ток через два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца, насаженных на вал ротора, и неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам. По конструкции ротора синхронные машины подразделяют на неявнополюсные и явнополюсные. Явнополюсный ротор используют в машине с четырьмя полюсами и более. На рис. 13.1, а показан ротор синхронной явнополюсной машины, когда на полюсы надета обмотка возбуждения 1, а на рис. 13.1, б-ротор неявнополюсной машины, когда обмотка возбуждения 1 уложена в продольных пазах, расположенных по всей длине монолитного стального цилиндрического сердечника ротора. Обмотка возбуждения питается постоянным током от генератора постоянного тока, называемого возбудителем, который обычно соединен жестко с валом синхронной машины, или от выпрямительной установки. Мощность, необходимая для возбуждения, обычно составляет 0,3 - 3% от мощности синхронной машины.

На рис. 13.2 показана конструктивная схема явнополюсной трехфазной синхронной машины, состоящей из статора 1, трехфазной обмотки статора 2, явнополюсного ротора 3, обмотки ротора 4, вала ротора 5, контактных колец б, щеток 7. Следует отметить, что обмотки статора и ротора имеют одинаковое число полюсов.

При вращении ротора 3 с частотой n магнитный поток Ф, создаваемый постоянным током возбуждения I_B пересекает проводники обмотки статора и наводит в ее фазах переменную э. д. с., пропорциональную частоте вращения ротора и изменяющуюся с частотой

Если к трехфазной обмотке статора подключить нагрузку, то протекающий через обмотку статора ток будет создавать вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

Равенство (13.2) показывает принцип действия синхронной машины: ротор вращается синхронно с полем статора (n₀ = n), поэтому и электрические машины получили название синхронных.

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют якорем, а часть машины, где расположена обмотка возбуждения, называется индуктором. В синхронной машине (рис. 13.2) статор является якорем, а ротор - индуктором (что характерно для машин, применяемых в промышленности). В некоторых случаях обмотку якоря располагают на роторе, а обмотку возбуждения - на статоре.

Синхронная машина, подключенная к сети, может отдавать в сеть или потреблять из нее электроэнергию, т. е. работать как генератор и как двигатель. В режиме двигателя при подключении обмотки статора к сети ток, протекающий по обмотке, создает вращающееся магнитное поле, и частота вращения ротора равна этой частоте, так как в результате взаимодействия поля с током ротора I_B, создается вращающий электромагнитный момент М. Если синхронная машина работает в генераторном режиме, то взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с током ротора I_B создает тормозной момент.

1.1 Принцип действия синхронной машины

Статор 1 синхронной машины (рис. 1.1, а ) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.

Рис. 1.1 - Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б): 1 - статор, 2 - ротор, 3-обмотка якоря, 4 - обмотка возбуждения, 5 - контактные кольца, 6 - щетки

Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. При вращении ротора 2 с некоторой частотой n ₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э. д. с. E (рис. 1.1, б ), изменяющуюся с частотой

f₁ =pn₂ /60 (1.1)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток I_a создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁ =60f₁ /p. (1.2)

Из (1.1) и (1.2) следует, что n ₁ = n ₂ , т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием м. д. с. обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называютобмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, - индуктором.Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рис. 1.1, статор является якорем, а ротор - индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, - на статоре.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U _с и частотой f₁протекающий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (1.2). В результате взаимодействия этого поля с током I _в , протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме-тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращения n ₁ = n ₂, независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n ₂ = n ₁ ;

б) частота изменения э. д. с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в обмотке ротора э. д. с. не индуктируется, а ее м. д. с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.

1.2 Устройство синхронной машины

Конструктивная схема машины. Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1.2, а)

Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3-3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем.

Рис. 1.2 - Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем: 1 - якорь, 2 - обмотка якоря, 3 - полюсы индуктора, 4 - обмотка возбуждения, 5 - кольца и щетки

Синхронную, машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1.2, б )называютобращенной.

Рис. 1.3 - Роторы синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (6) машин: 1 - сердечник ротора, 2 - обмотка возбуждения

Конструкция ротора. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную - с явно выраженными полюсами (рис. 1.3, а) и неявнополюсную - с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3, б ). Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному, обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие ² /₃ каждого полюсного деления.

Рис. 1.4 - Устройство явнополюсной машины: 1 - корпус, 2 - сердечник статора, 3 - обмотка статора, 4 - ротор, 5 - вентилятор, 6 - выводы обмотки статора, 7 - контактные кольца, 8 - щетки, 9 - возбудитель



На рис. 1-4 показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных листов электротехнической стали и на нем расположена трехфазная обмотка якоря. На роторе размещена обмотка возбуждения.

Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержнипусковой обмотки (рис. 1-5), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то в этих полюсах при пуске и переходных режимах возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкну-тых обмотках. Затухание колебаний ротора при переходных процессах обеспечивается в этом случае вихревыми токами, замыкающимися в массивном роторе.

Возбуждение синхронной машины. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 1.6, а ), или же отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель - полупроводниковый или ионный (рис. 1.6, б ). Мощность, необходимая для возбуждения, невелика и составляет 0,3-3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах иногда кроме возбудителя применяют подвозбудитель - небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. В качестве основного возбудителя в этом случае может быть использован синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. В настоящее время питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, все более широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения I _в осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, хотя в машинах небольшой мощности применяется регулирование и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. В последнее время в мощных синхронных генераторах начали применять так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 8-6, в). При этой системе в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу.



Рис. 1.5 - Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях: 1-полюсы ротора, 2-короткозамыкающие кольца, 3 - стержни беличьей клетки, 4 - полюсные наконечники

Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя через регулятор напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

1.3 Работа синхронного генератора при холостом ходе

Э.д.с. в обмотке якоря. При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения. Этот поток направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах обмотки якоря э.д.с. Первая гармоника Е ₀ [1] этой э.д.с. определяется по той же формуле, что и первая гармоника э.д.с. для асинхронной машины:

E₀ =4,44f₁ щ_a k_{об a} Ф_в , (1.3)

где щ_a и k_{o 6 a} - число витков в фазе и обмоточный коэффициент обмотки якоря; Ф_в - поток первой гармоники магнитного поля возбуждения.

При небольших токах возбуждения магнитный поток мал и стальные участки магнитопровода машины не насыщены, вследствие чего их магнитное сопротивление мало. В этом случае магнитный поток практически определяется только магнитным сопротивлением воздушного зазора между ротором и статором, а характеристика холостого хода E ₀ = f (I _в ) или в другом масштабе Ф_в = f (I _в ) имеет вид прямой линии (рис. 1.16). По мере возрастания потока растет магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода. При индукции в стали более 1,7-1,8Т магнитное сопротивление стальных участков сильно возрастает и характеристика холостого хода становится нелинейной. Номинальный режим работы синхронных генераторов приблизительно соответствует «колену» кривой характеристики холостого хода; при, этом коэффициент насыщения k _{н ac} , т.е. отношение отрезков ab/ ac, составляет 1,1 - 1,4.

При рассмотрении работы синхронной машины в ряде случаев для облегчения математического анализа не учитывают нелинейность кривой холостого хода, заменяя ее прямой линией. Спрямленную характеристику проводят или как касательную к кривой холостого хода (рис. 1.16, прямая 1 ), или через точку b, соответствующую рассматриваемому режиму работы, например при номинальном напряжении (прямая 2 ). В первом случае спрямленная характеристика соответствует работе машины при отсутствии насыщения. Во втором случае она учитывает некоторое среднее насыщенное состояние магнитной цепи машины.

Рис. 1.16 - Характеристика холостого хода синхронного генератора

В теории синхронной машины широко используют систему относительных единиц. Основные параметры машины (ток, напряжение, мощность, сопротивления) выражают в долях соответствующей базисной величины[2] . В качестве базисных единиц при построении характеристики холостого хода принимают номинальное напряжение U _ном машины и ток холостого хода I _в0 , при котором Е ₀ = U _ном . Относительные значения э.д.с. и тока возбуждения при этом запишутся следующим образом:

E_0* =E₀ /U_ном ; I_0* =I_в /I_в0

Характеристики холостого хода, построенные в относительных единицах для различных синхронных генераторов, при одинаковых коэффициентах насыщения совпадают. Поэтому характеристика холостого хода в относительных единицах может быть принята единой для всех генераторов; для каждого конкретного генератора различие будет только в базисных единицах и коэффициентах насыщения.

Форма кривой напряжения. Напряжение, индуктированное в обмотке якоря при холостом ходе, по возможности должно быть синусоидальным. Согласно ГОСТ 183-74 напряжение считается практически синусоидальным, если разность между ординатой действительной кривой напряжения и ординатой синусоиды в одной и той же точке для генераторов мощностью до 1 MB·А не превышает 10%, а для генераторов свыше 1 MB·А-5% от амплитуды основной синусоиды. Чтобы получить кривую напряжения, близкую к синусоидальной, желательно иметь в машине распределение магнитного поля, близкое к синусоидальному. Для этого в неявнополюсных машинах обмотку возбуждения распределяют так, чтобы были уменьшены амплитуды м.д.с. высших гармоник. В явнополюсных машинах этого добиваются увеличением зазора под краями полюсных наконечников. Обмотку якоря также выполняют распределенной (q = 4 ч 6) с укороченным шагом (y ? 0,8ф). Чтобы исключить третьи гармоники тока и уменьшить потери мощности в машине, обмотку якоря в трехфазных генераторах соединяют звездой. При этом будут отсутствовать также и третьи гармоники в линейном напряжении. Подавление третьих гармоник в кривой фазного напряжения путем укорочения шага обмотки нерационально, так как при у ?0,66ф существенно уменьшается первая гармоника. Указанные меры позволяют получить на выходе, машины практически синусоидальную э.д.с, поэтому при дальнейшем рассмотрении теории синхронной машины можно принимать во внимание только поток первой гармоники магнитного поля и соответствующую гармонику э.д.с. Поток первой гармоники магнитного поля возбуждения Ф_в называютпотоком взаимоиндукции.

Магнитное поле возбуждения . Магнитное поле, созданное обмоткой возбуждения, характеризуется рядом коэффициентов, посредством которых реальное распределение индукции в воздушном зазоре приводится к синусоидальному. К числу этих коэффициентов относятся: коэффициент формы кривой поля возбуждения k _в = В _вm1 /В _вm -отношение амплитуды первой гармоники В _вm1 индукции поля возбуждения в воздушном зазоре к амплитуде В _вm действительного распределения этой индукции;коэффициент потока возбуждения k _ф = Ф/Ф_в - отношение потока Ф, созданного обмоткой возбуждения в воздушном зазоре, к потоку первой гармоники Ф_в этого поля (потоку взаимной индукции).

Определим эти коэффициенты для неявнополюсной и явнопо-люсной машин. На рис. 1.17, а , бпоказано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для неявнополюсной машины. На одно полюсное деление ротора приходится значительное число пазов (20-40), поэтому можно принять, что распределение индукции в воздушном зазоре вдоль окружности якоря (сплошная линия) имеет трапецеидальный характер. Если рассматривать обмотку возбуждения как однофазную, распределенную на части гф окружности ротора, то при указанном распределении индукции поля возбуждения получим для поля первой гармоники (штриховая линия)

B_{в m1} =4B_{в m} k_р.в /р, (1.4)

где - коэффициент распределения для обмотки возбуждения; г = Z _в2 /Z ₂ - коэффициент заполнения окружности ротора обмоткой возбуждения, равный отношению числа пазов ротора Z _в2 , заполненных проводниками обмотки, к полному числу Z ₂ пазовых делений ротора.

Следовательно, коэффициент формы кривой поля возбуждения

. (1.5)

Магнитный поток возбуждения

Ф=б_д фl_i B_{в m} (1.6)

Рис. 1.17 - Магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре

Неявнополюснойи явнополюсной машин

При трапецеидальном распределении индукции поток Ф можно считать состоящим из двух частей: потока Ф', соответствующего части (1 - г )ф окружности ротора, незаполненной обмоткой, и потока Ф», соответствующего части гф окружности ротора, в пазах которой уложена обмотка возбуждения:

Ф=Ф' +Ф'' =B_{в m} (1-г)фl_i + 0,5B_{в m} гфl_i = B_{в m} фl_i (1-г/2). (1.7)

Поток первой гармоники поля возбуждения

Ф_в =2B_{в m 1} фl_i /р (1.8)

Следовательно, коэффициент потока возбуждения

(1.9)

С учетом (1.7) расчетный коэффициент полюсного перекрытия

б_i =Ф/(фl_i B_{в m} )=1-г/2. (1.10)

На рис. 1.17, в , г показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для явнополюсной машины.

При проектировании явнополюсных синхронных машин принимаются меры, чтобы кривая распределения поля возбуждения в воздушном зазоре (сплошная линия) приближалась к синусоиде (для этого воздушный зазор выполняют неравномерным), однако получить идеальное распределение не удается. Поэтому наряду с первой га-рмоникой (штриховая линия) имеется и ряд высших гармоник. Форма распределения магнитного поля и коэффициент k _в зависят от коэффициента полюсной дуги б_i = b _р /ф и формы воздушного зазора, т.е. от отношений д_макс /д и д/ф. Обычно б_i = 0, б5 ч 0,75; д_макс /д = l ч 2,5 и д/ф = 0,01 ч 0,05. При этих условиях k _в = 0,90 ч l, 20.

Коэффициент магнитного потока k _ф также зависит от формы распределения магнитного поля и представляет собой отношение площадей, ограниченных рассматриваемыми кривыми. При указанных выше значениях b _р /ф, д_макс /д и д/ф коэффициент k _ф = 0,92 ч 1,10.

С учетом (1.6) и (1.8) расчетный коэффициент полюсного перекрытия

б_i =2k_в k_Ф /р. (1.11)

1.4 Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция якоря

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки якоря подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени относительно друг друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n ₁ , равной частоте вращения ротора n ₂ . Следовательно, магнитные потоки якоря Ф_а и возбуждения Ф_в будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Ф_рез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. F _в обмотки возбуждения и м.д.с. F _а якоря. Однако в синхронной машине (в отличие от асинхронной) м.д.с. обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе.

Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле синхронной машины называют реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины м.д.с. обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и т.д. Рассмотрим, как проявляется реакция якоря при двух основных конструктивных формах синхронных машин - неявнополюсных и явнополюсных.

Неявнополюсная машина. В этой машине величина воздушного зазора между статором и ротором по всей окружности остается неизменной, поэтому результирующий магнитный поток машины Ф_рез и создаваемая им э.д.с. Е при любой нагрузке могут быть определены по характеристике холостого хода исходя из результирующей м.д.с. F _рез . Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Ф_рез может быть существенно упрощен, так как от сложения указанных м.д.с. можно перейти к непосредственному векторному сложению соответствующих потоков:

Ф_рез =Ф_в +Ф_а ,

как это показано на рис. 1.18 и 1.19.

Рис. 1.18 - Реакция якоря в неявнополюсной машине при различных условиях нагрузки

При ш= 0 (рис. 1.18, а и 1.19, а ) ток в фазе А - X достигает максимума в момент времени, когда оси полюсов N иS совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармоник магнитных полей.

Кривая распределения индукции B _a = f( x) для двухполюсной машины будет смещена относительно кривой индукции B _в = f( x) в пространстве на 90°, т.е. поток якоря Ф_а действует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Ф_в (поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называют продольной и обозначают буквами d -d;ось, проходящую между полюсами, называют поперечной и обозначают q - q. Следовательно, при ш = 0 поток якоря действует по поперечной оси машины, размагничивая одну половину каждого полюса и подмагничивая другую. Кривая распределения результирующей индукции B _рез = f( x) при этом сдвигается относительно кривой B _в = f( x) против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на временной векторной диаграмме, т.е. вектор отстает от вектора потока возбуждения на 90°. Вектор результирующего потока ; его модуль

При ш = 90° (рис. 1.18, б и 1.19, б ) ток в фазе А -X достигает максимума на 1/4 периода позднее момента, соответствующего максимуму э.д.с. Е ₀ . За это время полюсы ротора перемещаются на 1/2 полюсного деления, вследствие чего кривая B _a = f( x) смещается относительно кривой B _в = f( x) на 180°. При этом поток якоря действует по продольной оси машины против потока возбуждения ; результирующий поток сильно уменьшается, вследствие чего уменьшается и э.д.с. якоря Л. Таким образом, при ш = 90° реакция якоря действует на машину размагничивающим образом.

При ш = - 90° (рис. 1.18, в и 1.19, в ) поток якоря также действует по продольной оси машины, но совпадает по направлению с потоком возбуждения. Следовательно, реакция якоря действует на машину подмагничивающим образом, увеличивая ее результирующий поток и э.д.с. Л .

Выводы, полученные при рассмотрении трех случаев нагрузки, можно распространить и на общий случай, когда -90° < ш < 90°. При этом характерным является то, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагничивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагничивает ее.

Э.д.с. Е при работе генератора под нагрузкой можно рассматривать как сумму двух составляющих:

. (1.12)

Рис. 1.19 - Кривые распределения индукции в неявнополюсной машинеи векторные диаграммы потоков и э. д. с. при различных углах ш



Э.д.с. Е _а пропорциональна потоку Ф _а , т.е. току 1 _а в обмотке якоря, поэтому ее можно рассматривать как э.д.с. самоиндукции, индуктированную в обмотке якоря, и представить в виде

,

где х _а - индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком реакции якоря.

Явнополюсная машина . В этой машине воздушный зазор между статором и ротором не остается постоянным, так как он расширяется по направлению к краям полюсов и резко увеличивается в зоне междуполюсного пространства. По этой причине поток якоря здесь зависит не только от величины м.д.с. F_a якоря, но и от положения кривой распределения этой м.д.с. F _a = f ( x) относительно полюсов ротора, так как одна и та же м.д.с. якоря в зависимости от ее пространственного положения создает различный магнитный поток. Так, например, при угле ш = 0 (рис. 1.20, а ), когда поток якоря направлен по поперечной оси машины, кривая распределения индукции B _a = B _aq имеет седлообразную форму, хотя м.д.с. F _аякоря распределена синусоидально. При этом максимуму м.д.с. F _a соответствует небольшая индукция, так как магнитное сопротивление воздушного зазора максимально. При угле ш = 90° (рис. 1.20, б ), когда поток якоря направлен по продольной оси машины, кривая распределения индукции В _а = B _adрасположена симметрично относительно оси полюсов. В этом случае индукция имеет большее значение, чем при ш = 0, так как магнитное сопротивление воздушного зазора в данном месте невелико. Соответственно различные максимальные значения будут иметь и первые гармоники B _ad1 и В _аq1указанных кривых.

Рис. 1.20 - Кривые распределения м. д. с. реакции якоряи создаваемых ею индукций в явнополюсной машине

Чтобы избежать трудностей, связанных с изменением результирующего сопротивления воздушного зазора при различных режимах работы машины, при анализе работы явнополюсной синхронной машины следует использовать так называемый метод двух реакций. Согласно этому методу, м.д.с. F _a в общем случае представляют в виде суммы двух составляющих: продольной F _ad = F _a sin ши поперечной F_aq = F _a cos ш(рис. 1.21, а ), причем F _a = F _ad + F _aq . Продольная составляющая F _ad создает продольный поток якоря Ф_аd , индуктирующий в обмотке якоря э.д.с. E _ad ,а поперечная составляющая F _aq - поперечный поток Ф_аq , индуктирующий э.д.с. E _aq ,причем принимают, что эти потоки не оказывают влияния друг на друга. В соответствии с принятым методом ток якоря I _а , создающий м.д.с. F _а , также представляют в виде двух составляющих: продольной I _d и поперечной I _q (рис. 1.21, б ).

Рис. 1.21 - Разложение векторов м.д.с. и тока якоря на продольную ипоперечную составляющие

Величину магнитных потоков Ф _аd и Ф_аq и индуктируемых ими э.д.с. E _ad и E _aq можно определить по кривой намагничивания машины или по спрямленной характеристике (рис. 1.22). Однако кривая намагничивания строится для м.д.с. возбуждения F _в , имеющей не синусоидальное, а прямоугольное распределение вдоль, окружности якоря. Чтобы воспользоваться указанной кривой или спрямленной характеристикой, м.д.с. F _ad и F _aq следует привести к прямоугольной м.д.с. возбуждения F _в , т.е. найти их эквивалентные значения F _ad ' и F _aq '.

Установление эквивалентных значений F _ad ' и F _aq ' производят на основании следующих соображений: м.д.с. F _ad и F _aq создают в воздушном зазоре машины индукции B _ad и В _аq,распределенные вдоль окружности якоря так же, как и индукции, создаваемые м.д.с. F _а соответственно при углах ш = 0 и ш = 90^о (см. рис. 1.20, а, б). Первые гармоники B _{ad 1} и B _{aq 1} кривых B _ad = f ( x ) и B _aq = f( x ) образуют магнитные потоки

Ф_ad =F_ad /r_{м ad} ; Ф_aq = F_aq /r_{м aq} .

где r _{м ad} и r _{м aq} - магнитные сопротивления для соответствующих потоков, учитывающие не только форму воздушного зазора, но и синусоидальность кривой распределения м.д.с. F _ad и F _aq вдоль окружности якоря.

М.д.с. возбуждения создавала бы такие же потоки Ф_аd и Ф_аq при меньших величинах м.д.с. F' _ad и F' _aq:

; .



Рис. 1.22 - Векторная диаграмма потоков Ф_ad и Ф_аq и э. д. с. E_ad и E_aq (а) явнополюсной машины и их определение по характеристике холостого хода (б)

Из последних выражений можно найти коэффициенты реакции якоря k_d и k_q , характеризующие уменьшение эффективных значений м.д.с. якоря:

; . (1.13)

где r _м.в -магнитное сопротивление для потока возбуждения, учитывающее форму воздушного зазора по продольной оси машины и прямоугольное распределение м.д.с. F _в вдоль окружности якоря. Чтобы определить коэффициенты k_d и k_q , необходимо знать, как распределяются вдоль окружности якоря индукции B_ad и B_aq , созданные продольной F_ad и поперечной F_aq составляющими м.д.с. якоря, и их первые гармоники B_{ad 1} и B_{aq 1} . Для характеристики этого распределения используют коэффициенты формы поля реакции якоря по продольной k_ad и поперечной k_aq осям, аналогичные по своей структуре коэффициенту формы поля обмотки возбуждения k _в :

; (1.14а)

где B_{adm 1} и B_{aqm 1} -амплитуды первых гармоник реального распределения магнитной индукции;B_adm и B_aqm - максимальные значения индукций B_ad и B_aq вычисленные в предположении, что воздушный зазор между статором и ротором равномерный, равный его значению под серединой полюса.

Коэффициенты k_ad и k_aq зависят от тех же параметров б_i , д/ф и д_макс /д, что и коэффициент k _в ,причем (см. рис. 1.20) k_aq < k_ad .

Из условий равенства первых гармоник индукций, созданных м.д.с. якоря F_аd и эквивалентной ей м.д.с. возбуждения F' _ad и соответственно F_aq и F' _aq , имеем k_ad F_ad = k _в F' _ad ;k_aq F_aq = k _в F' _aq , откуда

; . (1.14б)

Коэффициенты k_d и k_q физически характеризуют уменьшение магнитного сопротивления для потока Ф_в по сравнению с потоками Ф_аd и Ф_аq Обычно k_d = 0,8 ч 0,95; k_q = 0,3 ч 0,65.

В машине с явно выраженными полюсами э.д.с. Е при работе генератора под нагрузкой можно представить как сумму трех составляющих:

. (1.15)

Э.д.с. E_ad и E_aq , индуктируемые продольным Ф_аd и поперечным Ф_aq потоками якоря, представляют собой по существу э.д.с. самоиндукции, так как сами потоки Ф_аd и Ф_аq создаются м.д.с. F_ad и F_aq ,пропорциональные токам I_d и I_q . Поэтому для ненасыщенной машины можно считать, что

; , (1.16)

где х_аd и х_аq -индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответствующие полям продольной и поперечной реакций якоря, причем

x_ad /x_aq =k_ad /k_aq . (1.17)

Для машины с неявно выраженными полюсами м.д.с. якоря приводится к м.д.с. обмотки возбуждения по формуле

F'_a =k_d F_a .

1.5 Векторные диаграммы синхронного генератора

При анализе работы синхронных машин обычно используют векторные диаграммы: при качественном-упрощенные диаграммы, справедливые для машин, в которых отсутствует насыщение, а при количественном-уточненные диаграммы.

Неявнополюсная машина . Для цепи якоря неявнополюсной синхронной машины можно написать уравнение

(1.18а)

или

, (1.18б)

где E_sa - э.д.с, индуктированная в обмотке якоря потоком рассеяния; x_sa -индуктивное сопротивление, обусловленное этим потоком.

На рис. 1.23, а изображена векторная диаграмма, построенная по (1.18б ), называемая диаграммой Потье. Эта диаграмма позволяет определить э. д. с. холостого хода Е ₀ с учетом насыщения машины, если заданы напряжение, ток нагрузки (по величине и фазе), характеристика холостого хода и параметры машины. Сначала по известным падениям напряжения строится вектор э. д. с.

. (1.18)

Рис. 1.23 - Векторная диаграмма синхронной неявнополюсной машины (а) и определение э. д. с. по характеристике холостого хода (б)

Так как э.д. с. Е индуктируется результирующим потоком Ф_рез , который создается результирующей м.д. с.

по характеристике холостого хода (рис. 1.23, б) можно определить F _рез , соответствующую э.д. с. Е.Вектор совпадает по фазе с вектором , а оба эти вектора опережают по фазе вектор Л на 90°.

Зная и параметры машины, можно найти м.д.с. возбуждения

,

а затем по характеристике холостого хода определить величину э.д. с. холостого хода Е ₀ . Вектор Л ₀отстает от вектора на 90°.

Если требуется перейти от режима холостого хода к режиму нагрузки, то построения производят в обратном порядке.

Если машина не насыщена, то векторная диаграмма существенно упрощается, так как в этом случае складывают не м.д. с. и , а соответствующие им потоки и э. д. с. Упрощенную векторную диаграмму синхронной неявнополюсной машины (рис. 1.24, а ) строят по уравнению (1.18 б), которое с учетом (1.12) принимает вид

. (1.19а)

Поскольку падение напряжения в активном сопротивлении обмотки статора I_а r_а сравнительно невелико, им можно пренебречь. Заменяя, кроме того, в уравнении (8-19а) Л_а = - jЭ_а х_а , получим

. (1.19б)

Величину x_a + x_sa = x _сн называют полным или синхронным индуктивным сопротивлением машины.Следовательно, уравнение (1.19б) может быть представлено в виде

. (1.19в)

Упрощенная векторная диаграмма, соответствующая уравнению (1.19в), изображена на рис. 1.24, б;ее широко используют при качественном анализе работы синхронной машины. Необходимо, однако, отметить, что определение Л ₀ по упрощенной диаграмме дает несколько большую величину, чем по точной диаграмме (см. рис. 1.23, а), в которой учитывается насыщение.

Рис. 1.24 - Упрощенная векторная диаграмма синхронной неявнополюсной машины с учетом (а) и без учета (б) активного падения напряжения в якоре

Угол и между векторами Щ и Л ₀ называют углом нагрузки. При работе синхронной машины в генераторном режиме напряжение Щ всегда отстает от э.д.с. Л ₀ , в этом случае угол и считается положительным. Чем больше нагрузка генератора (отдаваемая им мощность), тем больше угол и.

Явнополюсная машина. Упрощенную диаграмму синхронной явнополюсной машины также можно построить по общему уравнению (1.18а), которое с учетом (1.15) принимает вид

. (1.20а)

На рис. 1.25, а приведена векторная диаграмма, соответствующая уравнению (1.20а). Если пренебречь малой величиной r_а , то

. (1.20б)



Э. д. с. Л _sa , индуктируемую в обмотке якоря потоком рассеяния, можно представить в виде суммы двух составляющих - Л _sad и Л _saq , ориентированных по осям d -d и q -q:

, (1.21)

Где

; , (1.22)

так как

;

Рис. 1.25 - Упрощенные векторные диаграммы синхронной явнополюсной машины: а-с учетом активного падения напряжения в якоре: б - без учета этого падения напряжения; в-с заменой э. д. с. на реактивные падения напряжения



С учетом (1.22) вместо (1.20б) получим

, (1.23а)

где

Л_d = Л_ad + Л_sad и Л_q = Л_aq + Л_saq .

Векторная диаграмма, построенная по (1.23а), приведена на рис. 1.25, б.

Заменяя э. д. с. соответствующими реактивными падениями напряжения, будем иметь

, (1.23б)

где

x_d = x_ad +x_sa ; x_q = x_aq + x_sa .

Сопротивления x_d и x_q называют полными или синхронными индуктивными сопротивлениями обмотки якоря по продольной и поперечной осям.

На рис. 8-25, в приведена векторная диаграмма, построенная по (8-23б). Если заданы векторы тока Э_аи напряжения Щ, а угол ш неизвестен, то его можно определить, проведя из конца вектора напряжения Щотрезок , равный I_а х_q и перпендикулярный вектору тока. Конец построенного отрезка будет расположен на векторе э.д. с. Л ₀ или его продолжении, так как проекция отрезка на вектор Л _q равна модулю этого вектора:



.

1.6 Характеристика синхронного генератора

Построение внешних характеристик. Внешние характеристики синхронного генератора представляют собой зависимости напряжения U от тока нагрузки I_а при неизменных токе возбуждения I _в , угле ц и частоте f ₁ (постоянной частоте вращения ротора n ₂ ).

Рис. 1.26-Упрощенные векторные диаграммы синхроннойнеявнополюсной машины

Они могут быть построены при помощи векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузкеI_{а ном} генератор имеет номинальное напряжение U _ном , что достигается соответствующим выбором тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора станет равным э.д. с. холостого хода Е ₀ . Таким образом, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз ц между Щ и Э _а , так как в зависимости от этого угла изменяется величина вектора Л₀ (при заданном значении U = U _ном ).

...