В синхронной машине сердечник статора собирают из изолированных листов электротехнической стали и на нем располагают трехфазную обмотку якоря. На роторе размещают обмотку возбуждения. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам 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.
§1. Основные понятия и устройство синхронной машины.
Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, в которой частота вращения ротора n1 находится в строго постоянном отношении к частоте f1 сети переменного тока.
,
где р – число пар полюсов машины.
Применение синхронных машин весьма широко. Машина эта обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронный генератор является основным типом генератора переменного тока, применяемым в процессе производства электроэнергии. Синхронные двигатели в отличии от двигателей других типов имеют строго постоянную частоту вращения при данной частоте, не зависящую от нагрузки.
|
|
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. 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.
Рис. Синхронная машина с неподвижным якорем.
Синхронную машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором называют обращенной.
Рис. Синхронная машина с вращающимся якорем.
В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами и неявновыраженную – с неявно выраженными полюсами.
Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя (тихоходные машины) 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.
Двух- и четырехполюсные мащины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 мин-1, 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.
|
|
§2. Принцип действия синхронной машины.
Статор 1 синхронной машины выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, т.к. она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6.
1 – статор;
2 – ротор;
3 – обмотка якоря;
4 – обмотка возбуждения;
5 – контактные кольца;
6 – щетки.
Рис. Электромагнитная схема синхронной машины.
Рис. Схема включения синхронной машины.
При вращении ротора 2 с некоторой частотой n2 поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э.д.с. Е, изменяющуюся с частотой
.
Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток Iа создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого
.
Из этих выражений следует, что n1=n2, 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 Фрез 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, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме представляемой на рисунке, 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 Uс и частотой f1 протекающий по обмотке ток создает, также как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется n1. В результате взаимодействия этого поля с током Iв, 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 отличии 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 n1=n2, 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, работающий как в двигательном, так и в генераторном режимах вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n2=n1;
|
|
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.
§3. Работа синхронного генератора при холостом ходе.
3.1. 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 Е0 этой э.д.с. определяется по той же формуле, что и первая гармоника э.д.с. для асинхронной машины:
,
где - число витков в фазе и обмоточный коэффициент обмотки якоря;
Фв – 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 (якорем), а характеристика холостого хода Е0=f(Iв) или в другом масштабе Фв= f(Iв) имеет вид прямой линии.
Рис. Характеристика холостого хода синхронного генератора.
По мере возрастания потока растет магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода. При индукции в стали более 1,7-1,8 Тл магнитное сопротивление стальных участков сильно возрастает и характеристика холостого хода становится нелинейной. Номинальный режим работы синхронного генератора приблизительно соответствует «колену» кривой характеристики холостого хода. При этом коэффициент насыщения
.
При рассмотрении работы синхронной машины в ряде случаев для облегчения математического анализа не учитывают нелинейность кривой холостого хода, заменяя ее прямой. Спрямленную характеристику проводят или как касательную к кривой холостого хода (прямая 1) или через точку в, соответствующую рассматриваемому режиму работы (например, при номинальном напряжении, прямая 2). В первом случае характеристика спрямленная соответствует работе машины при отсутствии насыщения (1). Во втором, она учитывает некоторое среднее насыщенное состояние магнитной цепи машины (2).
|
|
§4. Работа синхронного генератора под нагрузкой (на примере явнополюсной машины).
4.1. Реакция якоря.
Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки статора подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени друг относительно друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n1, равной частоте вращения ротора n2. Следовательно, магнитные потоки якоря Фа и возбуждения Фв будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Фрез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. Fв обмотки возбуждения и м.д.с. Fа обмотки 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 называется 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. Fв, свойств магнитной системы.
4.2. Реакция якоря в явнополюсной машине.
Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхронной машины при различных углах сдвига фаз ψ между э.д.с. Е0 и током Iа в обмотке якоря. Этот угол определяется характером нагрузки, т.е. величинами сопротивлений R, xL и xc.
4.2.1. Реакция якоря при чисто активной нагрузке.
Покажем трехфазный генератор, в котором каждая фаза представлена одной катушкой.
Расположим ротор таким образом, чтобы центр полюса находился под стороной одной из фаз (пусть это фаза А). Тогда, согласно закону наведения э.д.с. в этой фазе э.д.с. Е0 от поля полюсов будет максимальной, т.к. проводники фазы находятся в точке пространства, где индукция поля полюсов наибольшая. Но по условию отсутствует сдвиг фаз между Е0 и Iа. Следовательно, ток в фазе А будет наибольшим.
Вращающаяся намагничивающаяся сила, созданная трехфазной обмоткой, в момент максимума тока в какой-либо фазе располагается своей осью по оси этой фазы. Следовательно, в нашем случае ось намагничивающей силы обмотки якоря Fа расположится по оси фазы А (на рисунке горизонтально). Направление вектора намагничивающей силы Fа вправо определяем, используя правило буравчика, проследив знаки э.д.с. и тока в фазе А. Поскольку намагничивающая сила обмотки возбуждения направлена по оси полюсов (на рис. вертикально вверх), видно что оси намагничивающих сил обмоток возбуждения и якоря сдвинуты на 90° электрических. Направление по оси полюсов трактуется как продольное (индекс d). Намагничивающая сила обмотки якоря, расположенная относительно намагничивающей силы обмотки возбуждения под углом 90° электрических, называется поперечной (индекс q). Следовательно, при чисто активной нагрузке = . Поперечная намагничивающая сила обмотки якоря будет ослаблять поле на набегающем и усиливать на сбегающем крае полюса.
4.2.2. Реакция якоря при чисто индуктивной и емкостной нагрузках.
При чисто индуктивной нагрузке угол ψ=90° отстающий.
Теперь, когда центр полюса ротора расположен под стороной фазы и э.д.с. Е0 будет равен нулю, ток в этой фазе (у нас фаза А) будет максимальным позднее, и за это время ротор успеет повернуться на 90° электрических в течение времени, разделяющее максимальное и минимальное значение тока. Как видно, намагничивающая сила обмоток возбуждения и якоря будут направлены противоположно. Намагничивающая сила обмотки якоря является продольной размагничивающей: = . Таким образом, реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке влияет количественно, уменьшая поток по сравнению с его величиной при холостом ходе.
При чисто емкостной нагрузке угол ψ=90° опережающий. Теперь в момент максимального значения тока в фазе А, ось ротора отстает на 90° электрических по направлению вращения от стороны фазы А. Это означает, что оси намагничивающих сил обмоток возбуждения и якоря совпадают и реакция якоря будет продольной подмагничивающей, усиливающей магнитное поле полюсов. Результирующий поток при нагрузке увеличивается по сравнению с потоком при холостом ходе.
4.2.3. Общий случай нагрузки. Теория двух реакций.
В общем случае нагрузки угол ψ имеет промежуточное значение, т.е. 0<φ<90° электрических при отстающем токе, поскольку в составе нагрузки обычно имеются активная и индуктивная составляющие. В машинах с явно выраженными полюсами магнитная проводимость по окружности воздушного зазора не одинакова; она наибольшая по продольной оси и наименьшая по поперечной. Соответственно магнитное сопротивление по поперечной оси значительно больше магнитного сопротивления по продольной Rmq>Rmd.
=Facosφ
Характер нагрузки: ток I отстает от э.д.с. Е0 на угол φ. На рисунке ротор дан в том положении в пространстве, при котором в определенной фазе ток I имеет максимальное значение, намагничивающая сила обмотки якоря Fа направлена по оси фазы, следовательно вправо.
Действие реакции якоря следует рассматривать по продольной и поперечным осям в отдельности. Теория двух реакций синхронной машины основана на принципе раздельного рассмотрения продольного и поперечного полей и последующего их наложения без учета влияния изменения насыщения магнитной цепи.
Намагничивающая сила обмотки якоря раскладывается на продольную и поперечные составляющие:
Fd=Fasinψ,
Fq=Facosψ,
где Fa= .
Действие составляющей Fd сведено к случаю индуктивной нагрузки (составляющая Fd=Fasinψ является продольной намагничивающей силой реакции якоря и, действуя размагничивающе, ослабляет поле). Действие составляющей Fq сведено к случаю чисто активной нагрузки; составляющая Fq=Facosψ является поперечной намагничивающей силой реакции якоря.