Синхронная машина: устройство и принцип работы

На рис. 1.26 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а ), активно-индуктивной (б )и активно-емкостной (в ) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках Е ₀ > U; при активно-емкостной нагрузке Е ₀ < U . Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем - увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а в двух других случаях-продольная размагничивающая (при чисто активной нагрузке угол ш > 0).

Рис. 1.27-Внешние характеристики синхронного генераторапри различном характере нагрузки

На рис. 1.27 изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении U _ном (а) и при одинаковом значении U_o =E_o (б). Во втором случае при U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока короткого замыкания I _к .

Изменение напряжения. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной

(1.24)

Обычно генераторы работают с cosц = 0,9 ч 0,85 при отстающем токе. В этом случае Дu _% = 25 ч 35%. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, требуется применять специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Ди _% , тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Ди _% . Однако небольшую величину Ди _% можно получить, уменьшая синхронное индуктивное сопротивление х_сн (в неявнополюсных машинах) или соответственно х_d и x_q (в явнополюсных машинах), т.е. поток якоря, для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. При таком способе уменьшения Ди _% необходимо увеличивать м.д. с. обмотки возбуждения, что заставляет увеличивать размеры этой обмотки и делать в конечном итоге синхронную машину более дорогой.

В мощных турбогенераторах мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Ди _% . В гидрогенераторах (по сравнению с турбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т.е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Ди _% .

Рис. 1.28 - Регулировочные характеристики синхронного генераторапри различном характере нагрузки

Регулировочные характеристики синхронного генератора. Эти характеристики (рис. 1.28) представляют собой зависимости тока возбуждения I _в от тока нагрузки I_а при неизменных напряжении U,угле ц и частоте f ₁ . Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что при возрастании нагрузки необходимо при ц > 0 увеличивать ток возбуждения, а при ц < 0-уменьшать его. Чем больше угол ц по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

1.7 Параллельная работа синхронной машины сетью

Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно электростанции имеют несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую сеть. Это увеличивает общую мощность электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой мощность рассматриваемого генератора является очень малой. В этом случае сбольшой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т.е. что напряжение сети U _с и ее частота f _с являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Рассмотрим условия включения генератора на параллельную работу с сетью и способы регулирования нагрузки.

Включение генератора на параллельную работу с сетью. При этом необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя.

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u _с и генератора и:

. (1.29)

На практике осуществление (1.29) сводится к выполнению трех равенств:

величин напряжений сети и генератора U _cm = U_m или U _с = U;

частот щ_с = щ_г или f _с = f _г ;

их начальных фаз б_с = б_г (совпадение по фазе векторов Щ _c и Щ ).

Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, требуемых для подключения генератора к сети, называют синхронизацией.Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f _с ? f _г , а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений U _с = U. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (б_с = б_г ) контролируется специальными приборами - ламповыми и стрелочными синхроноскопами.

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности и обычно используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампочки, включенные между фазами генератора и сети (рис. 1.31, а). На каждую лампу действует напряжение Дu = u _с -и, которое при f_c ? f _г изменяется с частотой Дf = f _с -f _г , называемой частотой биений (рис. 1.31, б). В этом случае лампы будут мигать. При f _с ? f _г разность Ди будет изменяться медленно, вследствие чего лампы будут постепенно загораться и погасать. Обычно генератор подключают к сети в момент, когда разность напряжений Ди на короткое время становится близкой нулю, т.е. в середине периода погасания ламп; в этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Щ _с и Щ. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты вращения ротора, т.е. поддержание условия n ₂ = n ₁ , происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этом приборе при f _c ? f _г стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот f _c - f _г в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f _c = f _г она устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Часто также применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключается к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При самосинхронизации ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение s до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуктированием тока в успокоительной обмотке и замкнутой обмотке возбуждения. После этого в обмотку возбуждения подается постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой толчок тока, который не должен превышать 3,5I_{а ном} .

Рис. 1.31-Схема подключения синхронного генератора к сетис помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений и_с ии перед включением (б) генератора

Регулирование активной мощности . После включения генератора в сеть его напряжение Uстановится равным напряжению сети U _c . По отношению к внешней нагрузке напряжения U и U _ссовпадают по фазе, а по контуру «генератор - сеть» находятся в противо-фазе, т.е. Щ = - Щ _c (рис. 1.32, а ). Так как перед включением в сеть генератор работал вхолостую, то при выполнении указанных ранее трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I_а после подключения к сети также будет равен нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I_а при работе генератора параллельно с сетью на примере неявно-полюсной машины.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (1.19в):

. (1.30)

Так как Щ = - Щ _c = const, то величину тока Э_а можно изменять только двумя способами: изменяя э.д. с. Л₀ по величине или по фазе.

Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор Л ₀ смещается относительно вектора Щ на некоторый угол и в сторону вращения векторов (рис. 1.32, б). При этом возникает разность векторов Л ₀ - Щ, приводящая согласно (1.30) к появлению тока Э_а . Вектор этого тока опережает на 90° вектор - jЭ_а x _сн и сдвинут относительно вектора Щна некоторый угол ц, меньший 90°. При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность P = mUI_a cosц и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больший внешний момент приложен к валу генератора, тем больше будет угол и, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Рис. 1.32-Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машиныпри параллельной работе с сетью в режимах: а - холостого хода; б-генераторном; в-двигательном

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор Л ₀ будет отставать от вектора напряжения Щ на угол и (рис. 1.32, в ). При этом возникает ток I_а , вектор которого опережает на 90° вектор - jЭ_а х _сн и сдвинут на некоторый угол ц относительно вектора напряжения Щ. Так как угол ц>90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением Щ машины. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р= тЩЭ_а соsц забирается из сети и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т.е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки - уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного режима в двигательный.

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 1.33, а ), увеличить ток возбуждения I _в , то возрастет э. д. с. Е ₀ (рис. 1.33, б) и по обмотке якоря будет проходить ток I_а , величина которого согласно (1.30) определяется только индуктивным сопротивлением х _сн машины. Следовательно, ток Э _a будет реактивным: он отстает по фазе от напряжения Щ на угол 90^е или опережает на тот же угол напряжение сети Щ _с .

Рис. 1.33-Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машиныпри параллельной работе с сетью, отсутствии активной нагрузкии изменении э. д. с. Е₀ путем регулирования тока возбуждения: а - при E₀ = U_с ; б - при Е₀ > U_с ; в-при E₀ < U_c

При уменьшении тока возбуждения ток Э_а изменит свое направление: он будет опережать на 90° напряжение Щ (рис. 1.33, в) и отставать на 90° от напряжения Щ _с . Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока Э_а , т.е. реактивная мощность машины Q=mUI_a sinц. Активная составляющая тока Э _a в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р _эл = 0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой имеют место те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_а ,т.е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины, при котором реактивная составляющая тока Э _a равна нулю, называютрежимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I _в больше тока I _в.п , при котором имеет место режим полного возбуждения, то ток I_а содержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения I _в меньше тока I _в.п , то ток I_а содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Рис. 1.34-Определение активной и реактивной мощностей по упрощеннымвекторнымдиаграммам неявнополюсного (а) и явнополюсного (б)синхронных генераторов

Возникновение реактивной составляющей тока I_a физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток, сцепленный с каждой из фаз , не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

. (1.31)

Следовательно, если ток возбуждения I _в (т.е. поток Ф_в и э. д. с. Е ₀ )становится большим, чем это требуется для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I _а , которая создает размагничивающий поток реакции якоря Ф_а ; при I _в меньшем, чем необходимо для полного возбуждения, возникает опережающая составляющая тока I_а , которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф_а . Во всех случаях суммарный поток машины ?Ф автоматически поддерживается неизменным.

1.8 Синхронный двигатель

Как было показано ранее, синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети соотношением n ₂ , = n₁ = 60f ₁ /p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Векторные диаграммы. По основным комплексным уравнениям синхронной машины (1.19в) и (1.23б) могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в указанные уравнения вместо величины Щ надо подставить - Щ _с , так как не принято говорить о «напряжении двигателя»; при этом для не-явнополюсной и явнополюсной машин будем иметь:

. (1.43)

Построение векторных диаграмм (рис. 1.45, а, б) по формулам системы (1.43) рекомендуется начинать с изображения векторов Щ _с и - Щ _с . Далее строится вектор тока Э_а , активная составляющая которого совпадает с направлением вектора Щ _c , и определяют вектор Л ₀ . При построении диаграммы для явнополюсной машины (рис. 1.45, б) нужно так же, как это делалось в диаграмме для генератора (см. рис. 1.25, в ), вначале определить направление вектора Л ₀ , прибавив к - Щ _c вспомогательный вектор

Рис. 1.45-Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного (а) иявнополюсного (б) двигателя

Для выяснения свойств синхронного двигателя рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента М _вн и постоянном токе возбуждения; при этом для простоты будем пользоваться векторной диаграммой неявнополюсной машины. Допустим, что двигатель работает при cosц = l, чему на векторной диаграмме (рис. 1.46, а) соответствуют ток Э_{а 1} и угол и ₁ . С повышением нагрузки увеличивается угол между векторами Л ₀ и - Щ _с до какого-то значения и₂ , так как согласно (1.35а) вращающий момент М = М_вн пропорционален sinи. При этом конец вектора Л ₀ перемещается по окружности с радиусом, равным Е₀ , и при принятых условиях (I _в = const; E ₀ = const и U _c = const) вектор тока Э_{а 2} также поворачивается вокруг точки 0, располагаясь перпендикулярно вектору - jЭ_{а 2} x _сн Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя Э_а2 будет иметь отстающую реактивную составляющую. Если нагрузка двигателя снизится по сравнению с исходной, то угол и уменьшится до значения и₃ . При этом ток двигателя Э_{а 3} будет иметь опережающую реактивную составляющую.

Следовательно, изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его cosц: при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с cosц = 1 или с опережающим током; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.

Рис. 1.46-Упрощенные векторные диаграммы синхронного двигателя: а - при изменении нагрузочного момента на валу; б - при изменении э. д. с. Е₀ путем регулирования тока возбуждения

Если при неизменной активной мощности менять ток возбуждения, то будет меняться только реактивная мощность, т.е. величина cosц. Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 1.46, б . Если двигатель работает при cosц = l, то этому режиму соответствует э.д.с. Л ₀₁ и некоторый угол и₁ . При уменьшении тока возбуждения э.д.с. Л ₀ снижается до Л ₀₂ . Поскольку активная мощность остается неизменной, из условия Р = Р _эм = mU _c (E ₀ /x _сн )sinи = const получим, что Е ₀₁ sin и₁ = Е ₀₂ sinи₂Отсюда следует, что конец вектора Л ₀ при изменении тока возбуждения будет перемещаться по прямойВС, параллельной вектору Щ _c и проходящей через конец вектора Л ₀₁ Из векторной диаграммы (рис. 1.46, б) видно, что угол и₂ будет больше и₁ .

Аналогично строится диаграмма при увеличении тока возбуждения. В этом случае э д с Л ₀ возрастает до величины Л ₀₃ и угол и₃ становится меньшим и₁ . Вектор - jЭ_{а 3} x _сн поворачивается вокруг точки А и соответственно ему изменяет направление вектор тока Э _{a 3} , перпендикулярный вектору - jЭ _{a 3} x _сн При этом из условия равенства активных мощностей имеем: I_{a 1} cosц₁ = I_{а 2} cosц₂ = I_{a 3} cosц₃ , конец вектора тока Э_а перемещается по прямой DE, перпендикулярной вектору Щ _c По диаграмме, приведенной на рис 1.46, б , можно построить U-образные характеристики для двигателя I_а = f (I _в ), которые будут иметь такую же форму, как и характеристики для генератора (см рис 1.40), с той лишь разницей, что для двигателя угол сдвига фаз ц принято отсчитывать от вектора напряжения сети Щ _c Поэтому при недовоз-буждении ток Э_а будет отставать от напряжения сети Щ _c ,т.е. двигатель будет потреблять из сети реактивную мощность Q, а при перевозбуждении ток будет опережать напряжение сети Щ _c ,т.е. двигатель будет отдавать в сеть реактивную мощность

Рабочие характеристики (рис 1.47) Представляют собой зависимости тока I_а , электрической мощности P ₁ поступающей в обмотку якоря, к п д з и соsц от отдаваемой механической мощности Р ₂ приU _c = const, f _c = const и I _в = const Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n = f (P ₂) обычно не приводится; не приводится также и зависимость M = f( P₂ ), так как вращающий момент Мпропорционален Р₂ . Зависимость Р ₁ = f (Р ₂ ) имеет характер, близкий к линейному

Ток двигателя при холостом ходе является практически реактивным По мере роста нагрузки растет активная составляющая тока, в связи с чем зависимость тока I_a от мощности Р ₂ является нелинейной Кривая з = f (P ₂ )имеет характер, общий для всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать с соsц = 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током, при этом cosц_ном = 0,9 ч 0,8 В этом случае улучшается суммарный cosц сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока I_акомпенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cosц = f(P ₂ ) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р ₂ > Р _ном . При снижении Р ₂величина cosц уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

Рис. 1.47-Рабочие характеристики синхронного двигателя

Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

а) возможность работы при cosц = l; это приводит к улучшению cosц сети, а также к сокращению размеров самого двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;

б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как его максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения);

в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатками синхронных двигателей являются:

а) сложность конструкции;

б) сравнительная сложность пуска в ход;

в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cosц и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

1.9 Однофазная синхронная машина

Однофазная синхронная машина может работать в качестве генератора и двигателя. При этом на статоре машины укладывают обмотку якоря (рис. 1.56, а ),занимающую примерно ² /₃ его окружности. Располагать обмотку якоря по всей окружности статора нецелесообразно, так как при этом расход меди увеличится в 1,5 раза, а мощность повысится незначительно - примерно на 15%. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа пазов уменьшается обмоточный коэффициент, который для машины с равномерно распределенной обмоткой якоря составляет около 0,64. Однако из-за уменьшения числа пазов, заполненных обмоткой, мощность однофазной машины примерно в 1,4 раза меньше мощности трехфазной машины с одинаковым диаметром статора и при одинаковых потерях мощности в его обмотке.

Рис. 1.56 - Схематический разрез однофазной синхронной машины (а) и векторная диаграмма м. д. с. и э. д. с, создаваемых обратным полем (б): 1-статор, 2-обмотка якоря, 3 - ротор, 4 - обмотка возбуждения

При протекании однофазного тока по обмотке якоря возникает как прямое Ф_пр , так и обратное Ф_обрмагнитные поля. Прямое поле относительно ротора неподвижно; обратное же вращается с угловой скоростью 2щ₁ и индуктирует в обмотке возбуждения э. д. с, частота которой в два раза больше частоты э. д. с. в обмотке якоря. Протекающий при этом ток двойной частоты может вызвать искрение на щетках возбудителя и ряд других нежелательных последствий. Для устранения этих явлений на роторе однофазной машины обязательно размещают короткозамкнутую демпферную обмотку типа беличьей клетки. В стержнях демпферной обмотки обратное поле индуктирует э. д. с. двойной частоты, вследствие чего создаваемая этой обмоткой м. д. с. F _д будет вращаться с той же частотой и в том же направлении, что и обратное поле, созданное м. д. с. F _обр обмотки статора. Векторная диаграмма (рис. 1.56, б ),иллюстрирующая взаимодействие этих м. д. с, сходна с векторной диаграммой трансформатора тока. Так же как и в трансформаторе тока, м. д. с. F _д оказывает размагничивающее действие на м. д. с. F _обр ,при этом результирующая м. д. с. F _рез и создаваемый ею поток Ф_рез , а также э. д. с. Е _д в демпферной обмотке и э. д. с. Е _в в обмотке возбуждения резко уменьшаются. Таким образом, при наличии демпферной обмотки обратное поле почти полностью гасится и через обмотку возбуждения переменный ток практически не проходит.

1.10 Синхронные машины с постоянными магнитами

Машины с постоянными магнитами позволяют уменьшить потери в машине, а также (при полюсах, расположенных на роторе) избавиться от подвода тока через контактные кольца к обмотке возбуждения. Недостатком постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой является их чрезвычайно высокая стоимость. Однако в настоящее время появились первые образцы электрических машин с дешевыми ферритно-бариевыми магнитами. Типичная кривая намагничивания ферритно-бариевого магнита изображена на рис. 1.64. Остаточная индукция такого магнита В _г ? 0,35 Т, коэрцитивная сила H _с ? 250 кА/м. Но чтобы получить хорошее использование материалов в машине и пре-емлемые габариты машины, индукция в воздушном зазоре должна составлять 0,5-1,0Т, как это обычно имеет место в машинах с электромагнитным возбуждением.

Рис. 1.64 - Кривая намагничивания феррито-бариевого магнита

Для повышения индукции в воздушном зазоре и зубцах машины применяют различные концентраторы магнитного потока. Принцип устройства концентратора состоит в том, что площадь поперечного сечения магнита берется больше площади воздушного зазора (рис. 1.65, а). При этом индукция в воздушном зазоре определяется равенством

, (1.76)

где S _м - площадь сечения воздушного зазора для постоянного магнита; S _у -площадь сечения воздушного зазора, через которое замыкается магнитный поток машины.

Выполняя машину с отношением S _м /S_у ? 2 ч 3, получают желаемую индукцию в воздушном зазоре.

Рис. 1.65 - Принцип устройства концентратора магнитного потока (а) и конструктивная схема генератора с постоянными магнитами (б): 1-статор, 2 - ротор, 3 - постоянные магниты

Особенно выгодно применение машин с концентраторами магнитного потока при высоких частотах вращения и повышенной частоте тока. На рис. 1.65, б изображена конструктивная схема две-надцатиполюсного генератора мощностью 20 кВт на частоту 300 Гц при частоте вращения 3000 об/мин.

Недостаток такого генератора заключается в том, что невозможно регулировать его выходное напряжение. Однако изменение напряжения под нагрузкой не очень велико, так как отношение короткого замыкания весьма значительно: k _о.к.з ? 3,5.

Можно ожидать, что мощные синхронные машины с постоянными магнитами в ближайшие годы найдут широкое применение в комбинации с полупроводниковыми преобразователями не только в качестве генераторов, но и двигателей.

Заключение

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия - прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита - индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

Список литературы

1. Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Издание 6-е, исправленное. Москва, Издательство «Энергия», 1977.

2. Герман-Галкин С. Г. Глава 9. Модельное проектирование синхронных мехатронных систем

3. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Глава 8. Адаптивно-модальное управление в следящих системах с бесконтактными моментными двигателями

4. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. -- М.: "Академия", 2006. -- 272 с

5. Микеров А.Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности: Учебное пособие.. -- СПб: СПбГЭТУ, 1997. -- 64 с.

Размещено на Allbest.ru