Синхронные машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Введение

Синхронные машины -- это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Что же касается свойств, то синхронные машины отличаются синхронной частотой вращения ротора (n₂ = n₁ = const) при любой нагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности, устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машины становится наиболее экономичной. Синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более. Синхронные двигатели применяются главным образом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнергетических установках синхронные машины иногда используются в качестве компенсаторов -- генераторов реактивной мощности, позволяющих повысить коэффициент мощности всей установки. В данном разделе рассмотрены главным образом трехфазные синхронные машины. Приведены также сведения по некоторым типам синхронных двигателей весьма малой мощности, применяемым в устройствах автоматики и приборной техники.

1. Способы возбуждения и устройство синхронных машин

1.1 Возбуждение синхронных машин

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n₁. При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.1, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r₁) и подвозбудителя (r₂).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности -- турбогенераторах -- иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 1.1. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного возбуждения синхронных генераторов

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 1.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) -- генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 1.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 1.2. Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

На рис. 1.2, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

1.2 Типы синхронных машин и их устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части -- статора -- и вращающейся части -- ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки.

Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60--500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рис. 1.3, а). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала (рис. 1.4).

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n₁ = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n₁ = 1500 об/мин).

Рис. 1.3. Конструкция роторов синхронных машин: а -- ротор с явно выраженными полюсами; б -- ротор с неявно выраженными полюсами

Рис. 1.4. Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин): 1 -- корпус статора; 2 -- сердечник статора; 3 -- полюс ротора; 4 -- обод ротора; 5 -- грузонесущая крестовина

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения (см. рис. 1.3, б). Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Рис 1.5. Турбогенератор: 1 -- возбудитель, 2 -- корпус, 3 -- сердечник статора, 4 -- секции водородного охлаждения, 5 -- ротор

Турбогенераторы (рис. 1.5) и дизельгенераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала. Дизельгенераторы рассчитывают на частоту вращения 600--1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором (рис. 1.6). ротор ток электромагнитный

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рис. 1.7). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом (см. гл. 7). Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт стальными щитами 13.

Рис 1.6. Синхронный генератор (дизель-генератор): 1 -- контактные кольца, 2 -- щеткодержатели, 3 -- полюсная катушка ротора, 4 -- полюсный наконечник, 5 -- сердечник статора, 6 -- вентилятор, 7 -- вал

В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

Рис. 1.7 Устройство синхронного двигателя серии СДН2

На рис. 1.8 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструкций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в продольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» (см. рис. 1.3) или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

Рис 1.8. Полюс синхронного двигателя

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор д минимален, а на краях -- максимален S_max. Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R<(D_l - 2д)/ 2, где D₁ - диаметр расточки сердечника статора.

1.3 Охлаждение крупных синхронных машин

В крупных электрических машинах применяют замкнутую систему охлаждения (см.§18.2) с использованием водорода в качестве охлаждающего газа. Особые свойства водорода обеспечивают водородному охлаждению ряд преимуществ:

1.Технический водород более чем в десять раз легче воздуха, что способствует снижению потерь на вентиляцию, а следовательно, повышает КПД машины. Например, в турбогенераторе мощностью 150 тыс. кВт потери на вентиляцию при воздушном охлаждении составляют 1000 кВт, а при водородном охлаждении турбогенератора такой же мощности эти потери составляют всего лишь 140 кВт, т. е. более чем в семь раз меньше.

2.Благодаря повышенной теплопроводности водорода, которая в 6 --7 раз больше, чем у воздуха, он интенсивнее охлаждает машину. Это дает возможность при заданных габаритах изготовить машину с водородным охлаждением мощностью на 20 -- 25% больше, чем при воздушном охлаждении.

3.Водородное охлаждение снижает опасность возникновения пожара в машине потому, что водород не поддерживает горения.

4.Водородное охлаждение увеличивает срок службы изоляции обмоток, так как при явлении короны благодаря отсутствию азота в машине не образуются нитраты -- соединения, разъедающие органические составляющие изоляционных материалов.

Эффективность водородного охлаждения повышается с ростом давления водорода в машине. Но наряду с перечисленными достоинствами водородное охлаждение имеет и недостатки, сущность которых сводится к тому, что водородное охлаждение ведет к усложнению и удорожанию как самой машины, так и ее эксплуатации. Объясняется это, в первую очередь, необходимостью содержания целого комплекса устройств водородного хозяйства, обеспечивающего подпитку, очистку и поддержание требуемого давления водорода в системе охлаждения машины. Однако в машинах большой единичной мощности (турбогенераторах, гидрогенераторах, синхронных компенсаторах) водородное охлаждение оправдано и дает большой экономический эффект.

Рассмотренные способы охлаждения машин являются косвенными, так как происходят без непосредственного контакта охлаждающего вещества с наиболее нагретыми элементами машины - обмотками. Отбор теплоты от обмоток при этих способах охлаждения происходит через электрическую изоляцию (в лобовых частях) и сталь магнитопровода, что снижает эффективность процесса охлаждения. Поэтому более эффективным является непосредственное охлаждение обмоток и других нагреваемых элементов машины. Для осуществления этого способа охлаждения в проводниках обмотки и сердечниках делают внутренние каналы, по которым циркулирует охлаждающее вещество -- водород, вода, масло. Непосредственный контакт охлаждающего вещества с проводниками обмоток и внутренними слоями магнитопроводов повышает интенсивность теплоотвода и позволяет существенно увеличить удельные электромагнитные нагрузки машины (плотность тока и максимальное значение магнитной индукции). Обычно непосредственное охлаждение применяют в электрических машинах весьма большой мощности -- турбо- и гидрогенераторах, что позволяет значительно увеличить единичную мощность этих машин.

2. Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов

2.1 Магнитная цепь синхронной машины

В режиме х.х. синхронной машины, т. е. при отсутствии тока I₁ в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения F_в0. Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ротора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают неравномерным, увеличивая его на краях полюсных наконечников.

Основной магнитный поток явнополюсной синхронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах (см. § 11.1), магнитная система явнополюсной синхронной машины представляет собой разветвленную симметричную магнитную систему (рис. 2.1, а), состоящую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную магнитную цепь, содержащую одну пару полюсов (рис. 2.1, б). Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков (рис. 2.2): воздушный зазор д, зубцовый слой статора h_z1, зубцовый слой ротора h_z2, полюс ротора h_m, спинку статора L₁ и спинку ротора (обод) L_об.

Сумма магнитных напряжений на всех перечисленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. (А):

F_во = ? F = 2F_д + 2F_z1 +2F_z2 + 2F_m + F_c1 + F_об, (2.1)

где F_д, F_z1, F_z2, F_m, F_с1 и F_o6 -- соответственно магнитные напряжения зазора, зубцовых слоев статора и ротора, полюсов, спинки статора и обода, А.

Порядок расчета магнитных напряжений на участках магнитной цепи в принципе такой же, как и при расчете магнитной цепи асинхронной машины (см. гл. 11). При расчете магнитного напряжения полюсов и спинки ротора необходимо иметь в виду, что магнитный поток на этих участках несколько больше основного магнитного потока Ф на величину потока рассеяния ротора Ф_у представляющего собой небольшую часть общего потока полюсов Ф_m не проходящего через зазор д, замыкающегося в межполюсном пространстве:

Ф_m = Ф + Ф_у = Ф(1 + Ф/ Ф_у) = Фу_m , (2.2)

где у_m -- коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора.

Рис. 2.1. Магнитная система явнополюсной синхронной машины

Рис. 2.2. Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной машины

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент

у_m = 1 + 0,2 k_м1 (2.3)

k_м1 = F₁₀ / (2F_д) (2.4)

-- коэффициент магнитного насыщения сердечника статора синхронной машины;

F₁₀ = 2 F_д +2F_z1 + F_c1

-- сумма магнитных напряжений в сердечнике статора и воздушном зазоре, А.

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора у_m = 1,1 ч 1,4 в зависимости от степени магнитного насыщения магнитопровода машины и числа полюсов (с ростом числа полюсов 2р уменьшается межполюсное пространство ротора машины и магнитное рассеяние увеличивается). После расчета магнитной цепи синхронной машины строят магнитную характеристику машины, аналогичную представленной на рис. 1.3. Используя МДС обмотки возбуждения в режиме х.х. ? F , путем дополнительных расчетов определяют МДС обмотки возбуждения при нагрузке F_в.н. Обычно F_в.н = (2,0 ч 2,2) ?F .

Полученное значение МДС F_в.н позволяет рассчитать число витков в полюсной катушке ротора:

W_к.в = F_в.н / (2I_в), (2.5)

где I_в -- ток в обмотке возбуждения синхронной машины, А.

2.2 Магнитное поле синхронной машины

В настоящей главе рассматривается трехфазный синхронный генератор, работающий на симметричную нагрузку так, что все фазы обмотки нагружены равномерно, т. е. в них наводятся одинаковые ЭДС и проходят равные по значению и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120° токи. Из гл. 9 известно, что в этих условиях трехфазная обмотка статора создает вращающуюся синхронно с ротором МДС, максимальное значение которой определяется выражением (9.16):

F₁ = 0,45m₁ I₁ w₁ k_об1 / p.

Как будет показано в § 2.3, вектор МДС статора может занимать разные пространственные положения относительно оси полюсов ротора.

В неявнополюсной синхронной машине воздушный зазор равномерен, а поэтому пространственное, положение вектора МДС статора относительно оси полюсов ротора не влияет на величину и график распределения магнитного поля статора.

В явнополюсной синхронной машине воздушный зазор неравномерен из-за наличия значительного межполюсного пространства, не заполненного сталью (рис. 2.3), и магнитное сопротивление потоку статора Ф_d по продольной оси dd намного меньше магнитного сопротивления потоку статора Ф_q по поперечной оси qq. Поэтому величина индукции магнитного поля статора и график ее распределения в воздушном зазоре в явнополюсных машинах зависят от пространственного положения вектора МДС обмотки статора F₁ или его составляющих.

Так, амплитуда основной гармоники индукции магнитного поля статора по продольной оси B_1d1 больше амплитуды основной гармоники индукции поля по поперечной оси В_1q1:

B_1d1 = B₁k_d; B_1q1 = B₁k_q (2.6)

где В₁ -- амплитудное значение магнитной индукции поля статора при равномерном зазоре; k_d и k_q -- коэффициенты формы поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям.

Коэффициенты k_d и k_q определяют степень уменьшения амплитуды основной гармоники поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям, обусловленную неравномерностью воздушногo зазора в машинах с явнополюсным ротором.

Рис. 2.3. Магнитные поля статора синхронной явнополюсной машины по продольной (а) и поперечной (б) осям

Значения k_d и k_q зависят от отношения максимального и минимального воздушных зазоров д_mах/д, от относительной величины зазора д/ ф , а также от коэффициента полюсного перекрытия б_i, При равномерном зазоре (д = const) отношение д_mах/д = 1. Полюсное деление ф определяют по (7.1). Коэффициент полюсного перекрытая б_i = b_р/ф, где b_р -- ширина полюсного наконечника (см. рис. 1.8).

При равномерном воздушном зазоре (д_mах/д =1) и весьма малой его относительной величине (д/ ф ? 0) коэффициенты формы поля определяются выражениями

k_d = [рб_i + sin(б_i 180°)] /р; (2.7)

k_q =[рб_i - sin(б_i 180°)] /р . (2.8)

Из (2.7) и (2.8) видим, что при б_i = 1, т. е. при неявнополюсном роторе, k_d = k_q= 1.

Обмотка возбуждения синхронной машины при прохождении по ней тока I_в создает МДС на пару полюсов (А):

F_в.н = I_в 2w_к.в (2.9)

Рис. 2.4. Магнитные поля возбуждения неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронных машин

При этом форма магнитного поля возбуждения в зазоре машины зависит от конструкции ротора. Амплитуда основной гармоники этого поля В_в1 определяется коэффициентом формы поля возбуждения

k_f = B_в1/ В_в, (2.10)

где В_в -- максимальное значение магнитной индукции поля возбуждения (рис. 2.4).

Для неявнополюсного ротора коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2.4, а)

k_f = 8sin г 90°/ (р² г) (2.11)

где г = 2б/ ф -- отношение обмотанной части полюса ротора ко всему полюсному делению. Обычно г = 0,67 ч 0,80. Наименьшее содержание высших гармоник поля соответствует г = 0,75.

Для явнополюсного ротора при равномерном зазоре и д/ф ? 0 коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2.4, б)

k_f = 4sin б_i 90°/ р . (2.12)

Увеличение зазора на краях полюсов способствует приближению коэффициента k_f к единице, т. е. приближает форму кривой индукции поля к синусоиде.

При неравномерном воздушном зазоре значения коэффициентов формы поля определяют по графикам, приводимым в руководствах по расчету синхронных машин [5 и 15].

2.3 Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0 [см. (2.1)] и статора (якоря) F₁ [см. (9.15)], при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и рада других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС , индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС ) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора I₁, то он может занимать по отношению к вектору различные положения, определяемые углом , в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка ( = 0). На рис. 2.5, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора направлена перпендикулярно МДС возбуждения. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генератора проводим вектор МДС возбуждения; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора ,

Рис. 2.5. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках совпадает по фазе с ЭДС , а поэтому вектор МДС , создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) на МДС возбуждения вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 2.6). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е₁.

Индуктивная нагрузка ( = 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора отстает по фазе от ЭДС на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС (см. рис. 2.5, 6). При этом МДС действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F₁ ослабляет поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка (ш = - 90°). Так как ток , при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС на 90°, то своего большего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 2.5, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения .

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

Смешанная нагрузка. При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора сдвинут по фазе относительно ЭДС на угол ш₁, значения которого находятся в пределах 0 < ш₁ < ± 90° . Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диаграммами МДС, представленными на рис. 2.7.

Рис. 2.6. Магнитное поле синхронного генератора при активной нагрузке

Рис. 2.7. Реакция якоря при смешанной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 2.7, а) вектор отстает от вектора на угол 0 < ш₁ < 90° . Разложим вектор F₁ на оставляющие: продольную составляющую МДС статора, F_1d = F₁ sin ш₁ и поперечную составляющую МДС статора F_1q = F₁ cos ш₁. Такое же разложение МДС якоря F₁ на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 2.7, б). Поперечная составляющая МДС статора F_1q, представляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузки I_q = I₁ cos ш, т. е.

F_1q = F₁ cos ш₁ , (2.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F_1d представляющая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки I_d = I₁ sin ш₁ , т. е.

F_1d = F₁ sin ш₁

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС (нагрузка активно-индуктивная), то МДС F_1d размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС (нагрузка активно-емкостная), то МДС F_1d подмагничивает генератор.

Направление вектора F_1d относительно вектора определяется характером реакции якоря, который при токе нагрузки , отстающем по фазе от ЭДС , является размагничивающим, а при токе , опережающем по фазе ЭДС , -- подмагничивающим.

Определить продольную и поперечную составляющие МДС статора (якоря) трехфазного синхронного генератора номинальной мощностью 150 кВА при напряжении 6,3 кВ, если его четырехполюсная обмотка статора с обмоточным коэффициентом k_об1 = 0,92 содержит в каждой фазе по w₁ = 312 последовательно соединенных витков. Нагрузка генератора номинальная при cos = ш₁ 0,8.

Решение. Ток нагрузки номинальный

I₁ = S_ном / (U_1ном) = 150/ ( 6,3) = 13,76 А.

Максимальное значение МДС трехфазной обмотки статора по (9. IS)

F₁ =1,35 I₁ w₁ k_o6l / p = l,3513,763120,92 / 2 = 2666 A.

Поперечная составляющая МДС статора по (2.13)

F_1q = F₁ cos ш₁ = 2666 * 0,8 = 2133 А.

Продольная составляющая МДС статора по (2.14)

F_1d = F₁ sin ш₁ = 2666 * 0,6 = 1600 А.

Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной F_1d и поперечной F_1q осям создают в магнитопроводе синхронной машины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков: по продольной оси

Ф_1d = F_1d / R_мd = F₁ sin ш₁/ R_мd ; (2.15)

по поперечной оси

Ф_1q = F_1q / R_мq = F₁ cos ш₁/ R_мq ; (2.16)

где R_мd и R_мq -- магнитные сопротивления синхронной машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям.

В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям равны (R_мd = R_мq = R_м).

Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

по продольной оси

; (2.17)

по поперечной оси

. (2.18)

Здесь х_а -- индуктивное сопротивление реакции якоря, представляющее собой главное индуктивное сопротивление обмотки статора (Ом):

x_a = 2,5 10^-6 m₁ f₁ , (2.19)

где D₁ -- внутренний диаметр сердечника статора, м; l_i -- расчетная длина сердечника статора, м; д -- воздушный зазор, м.

В явнополюсных синхронных машинах магнитные сопротивления машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы (R_мq > R_мd):

R_мd = R_м / k_d (2.20)

R_мq = R_м / k_q (2.21)

где R_м -- магнитное сопротивление машины при равномерном воздушном зазоре по всему периметру расточки статора.

Это обстоятельство оказывает влияние на значения магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря. Количественно это влияние учитывается коэффициентами формы

= - j x_a k_q = - j x_ad sin ш₁ (2.22)

= - j x_aq k_q = - j x_aq cos ш₁. (2.23)

Здесь x_ad и x_aq -- индуктивные сопротивления реакции якоря явнополюсной машины: по продольной оси

x_ad = x_a k_d ; (2.24)

по поперечной оси

x_aq = x_a k_q. (2.25)

2.4 Уравнения напряжений синхронного генератора

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отличается от напряжения этого генератора в режиме х.х. Это объясняется влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассеяния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Как было установлено, при работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МДС, которые, взаимодействуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, условно исходят из предположения независимого действия всех МДС генератора, т. е. предполагается, что каждая из МДС создает собственный магнитный поток.

Но следует отметить, что такое представление не соответствует физической сущности явлений, так как в одной магнитной системе возникает один лишь магнитный поток - результирующий. Но в данном случае предположение независимости магнитных потоков дает возможность лучше понять влияние всех факторов на работу синхронной машины.

Итак выясним, каково же влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.

1. МДС обмотки возбуждения F_в0, создает магнитный поток возбуждения Ф₀, который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней основную ЭДС генератора Е₀.

2. МДС реакции якоря по продольной оси F_1d создает магнитный поток Ф_1d, который наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря E_1d [см. (2.22)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по продольной оси х_ad [см. (2.24)]. Это сопротивление характеризует уровень влияния реакции якоря по продольной оси на работу синхронного генератора. Так, при насыщенной магнитной системе машины магнитный поток реакции якоря Ф_1d меньше, чем при ненасыщенной магнитной системе. Объясняется это тем, что поток Ф_1d почти полностью проходит по стальным участкам магнитопровода, преодолевая небольшой воздушный зазор (см. рис. 2.3, а), а поэтому при магнитном насыщении сопротивление этому потоку заметно возрастает. При этом индуктивное сопротивление x_1d уменьшается.

3. МДС реакции якоря по поперечной оси F_1q создает магнитный поток Ф_1q, который наводит в обмотке статора ЭДС Е_1q [см. (2.23)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по поперечной оси x_aq [см. (2.25)]. Сопротивление х_aq не зависит от магнитного насыщения машины, так как при явнополюсном роторе поток Ф_1q проходит в основном по воздуху межполюсного пространства (см. рис. 2.3, б).

4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора Ф_у1 (см. рис. 1.4) наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния Е_у1, значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора х₁ :

= - j x₁ . (2.26)

5. Ток в обмотке статора I₁ создает активное падение напряжения в активном сопротивлении фазы обмотки статора r₁ :

= r₁ (2.27)

Геометрическая сумма всех перечисленных ЭДС, наведенных в обмотке статора, определяет напряжение на выходе синхронного генератора:

= . (2.28)

Здесь -- геометрическая сумма всех ЭДС, наведенных в обмотке статора результирующим магнитным полем машины, образованным совместным действием всех МДС (F_в.0, F_1d, F_1q) и потоком рассеяния статора Ф_у1.

Активное сопротивление фазы обмотки статора r₁ у синхронных машин средней и большой мощности невелико, и поэтому даже при номинальной нагрузке падение напряжения I₁r₁ составляет настолько малую величину, что с некоторым допущением можно принять I₁r₁ = 0. Тогда уравнение (2.28) можно записать в виде

(2.29)

Выражения (2.28) и (2.29) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.

В неявнополюсных синхронных генераторах реакция якоря характеризуется полной МДС статора F₁ без разделения ее по осям, так как в этих машинах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковы. Поэтому ЭДС статора в неявнополюсных машинах Е₁, равная индуктивному падению напряжения в обмотке статора, пропорциональна индуктивному сопротивлению реакции якоря х_а [см. (2.19)], т. е.

(2.30)

Поток реакции якоря Ф₁ и поток рассеяния статора Ф_у1 создаются одним током I₁ [сравните (2.26) и (2.30)], поэтому индуктивные сопротивления х_а и х₁ можно рассматривать как суммарное индуктивное сопротивление

х_с = х_а + х₁,

представляющее собой синхронное сопротивление неявнополюсной машины. С учетом этого ЭДС реакции якоря Е₁ и ЭДС рассеяния Е_у1 следует рассматривать также как сумму представляющую собой синхронную ЭДС неявнополюсной машины. С учетом изложенного уравнение напряжений неявнополюсного синхронного генератора имеет вид

(2.31)

(2.32)

или

(2.33)

2.5 Векторные диаграммы синхронного генератора

Воспользовавшись уравнением ЭДС (2.28), построим векторную диаграмму явнополюсного синхронного генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток отстает по фазе от ЭДС ). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х. ; тока нагрузки, и его угла сдвига ш₁, относительно ЭДС; продольного х_ad и поперечного х_aq индуктивных сопротивлений реакции якоря; активного сопротивления фазной обмотки статора r₁.

При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы.

Рис. 2.8. Векторные диаграммы явнополюсного (а и б) и неявнополюсного (в и г) синхронных генераторов: а и в -- при активно-индуктивной нагрузке; б и г -- при активно-емкостной нагрузке.

Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис 2.8, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС и под углом ш₁ к нему -- вектор тока . Последний разложим на составляющие: реактивную = sin ш₁, и активную = sin ш₁ . Далее, из конца вектораоткладываем векторы ЭДС ,

, , .

Соединив конец вектора с точкой О, получим вектор напряжения , значение которого равно геометрическом сумме векторов ЭДС [см. (2.28)].

При построении векторной диаграммы генератора, работающего на активно-емкостную нагрузку (ток опережает по фазе ЭДС ), вектор тока , откладывают влево от вектора ЭДС (рис. 2.8, б), а направление вектора устанавливают согласно с направлением вектора ЭДС , так как при емкостном характере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном порядок построения диаграммы остается прежним.

Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (2.32), при этом вектор откладывают под углом ш₁ к вектору тока (рис. 2.8,в)

Следует отметить, что построенные векторные диаграммы не учитывают насыщения магнитной цепи, поэтому отражают лишь качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы дают возможность сделать следующие выводы: основным фактором, влияющим на изменение напряжения нагруженного генератора, является продольная составляющая магнитного потока якоря, создающая ЭДС ; при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку, т. е. с током , отстающим по фазе от ЭДС, напряжение на выводах обмотки статора, с увеличением нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно-емкостную нагрузку (с током, опережающим по фазе ЭДС ) напряжение с увеличением нагрузки повышается, что объясняется подмагничивающим влиянием реакции якоря (рис. 2.8, г).

2.6 Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регулировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора. Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U₁ = Е₀ от тока возбуждения I_в.0 при n₁ = const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 2.9, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е_* = f (I_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (риc. 2.9, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

E*	0,58	1,0	1,21	1,33	1,40	1,46	1,51
Iв*	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5

Здесь E_* = Е₀ / U_1ном -- относительная ЭДС фазы обмотки статора;

I_в* = I_в0 /I_в0ном -- относительный ток возбуждения; I_в0ном -- ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е₀ = U_1ном

Характеристика короткого замыкания. Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 2.10, а) и при вращении ротора с частотой вращения n₁ постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I_1к = l,25 I_1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине характеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 2.10, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r₁ ? 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генератора (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничивающий характер (см. § 2.3).

...