III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины

Холостой ход син­хронного генератора

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru Рис. 11.19

При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута и магнитное поле ма­шины создается только обмоткой возбуждения ротора (рис. 11.19). Форма нако­нечников полюсов ротора выполняется такой, чтобы распределение магнитной ин­дукции в воздушном зазоре было близким к синусоидальному. Если выполнить распределенную обмотку статора с укороченным ша­гом и соединенной ее в звезду, наведенная в каждой фазной обмотке ЭДС будет изменяться по синусоидальному закону. Ее действующее значение

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , (11.49)

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru Рис. 11.20

где III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – обмоточный коэффициент; III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – число витков одной фазы обмотки статора; III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – частота синусоидальных ЭДС; III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – число пар по­люсов; III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – максимальный магнитный поток по­люса ротора; III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – синхронная частота вращения. Согласно (11.49) ЭДС статора при неизменной частоте пропорциональна потоку. Изменяя ток возбуждения, можно регулировать магнитный поток и ЭДС генератора.

Зависимость III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru при III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru называется харак­теристикой холостого хода (рис. 11.20). Она применяется при расчете других характеристик и анализе режимов работы синхронных генераторов и двигателей.

11.18. Реакция якоря синхронной машины

В машине, работающей под нагрузкой, магнитное поле создается в отли­чие от холостого хода не только в роторе, но и МДС токов статора. Эти МДС, вращаясь с одной и той же синхронной частотой, взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Воз­действие МДС статора на магнитное поле машины называется реакцией якоря.

Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генера­тора с явновыраженными полюсами. На рис. 11.21 каждая фаза обмотки изображена в виде одного витка (А – Х, В – Y, С – Z), северный полюс ротора обозначен буквой N, южный – буквой S, магнитные линии этого поля не пока­заны.

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru

а) б) в)

Рис. 11.21

Рис. 11.21 а поясняет реакцию якоря при активной нагрузке, когда угол сдвига по фазе III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru между ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и током III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru равен нулю. В этом положе­нии ЭДС и ток фазы А максимальны, а в фазах В и С равны половине от макси­мальных значений и противоположны по знаку (направление токов в верхней половине обмотки статора показано крестиками, в нижней – точками). Этим на­правлениям токов соответствует магнитное поле реакции якоря, основные ли­нии которого направлены поперек оси полюсов ротора. Они размагничивают набегающий край полюса и намагничивают сбегающий. При этом результи­рующий магнитный поток генератора III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru поворачивается относи­тельно потока ротора III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru на некоторый угол III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru в направлении, противополож­ном направлению вращения ротора. Следовательно, при активной на­грузке ( III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 0) реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

Рис. 11.21 б соответствует фазовому сдвигу III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 90°. В этом случае макси­мум тока в фазе А наступает в момент, когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке. Ориентация потока реакция якоря осталась такой же, как на рис. 11.21 а, но теперь этот поток направлен навстречу потоку ротора по его продольной оси, т.е. при отстающем токе и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 90° реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения размагничивающей.

Рис. 11.21 в соответствует опережающему току III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru относительно ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru на угол III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = –90°. В этом случае максимум тока в фазе А наступает по сравнению с рис. 11.21 а на четверть периода раньше, когда ротор занимает по­ложение, повернутое на 90° против вращения, т.е. при опережающем токе и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru –90° реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения намагничивающей.

В общем случае, когда III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru 0 и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru 90°, ток III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru можно разложить на составляющие:

по продольной оси III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ; (11.50)

по поперечной оси III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . (11.51)

Продольная составляющая тока якоря создает продольную реакцию якоря, а поперечная – поперечную реакцию якоря. Угол считается положитель­ным, когда ток III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru отстает от ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре имеет противоположное направление по сравнению с режимом генератора. Поэтому при III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 0 ось результирующего потока оказывается повернутой относительно потока ротора на угол III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru по направлению вращения ротора. При III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru реакция якоря является продольной и намагничивающей, а при III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – продольной и размагничивающей.

Сравнение реакции якоря явнополюсных и неявнополюсных машин показы­вает, что принципиально они отличаются тем, что у неявнополюсных машин воз­душный зазор почти одинаковый вдоль продольной и поперечной осей ротора. По­этому и потоки реакции якоря по осям при одинаковых токах статора практически равны. У явнополюсных машин воздушный зазор вдоль поперечной оси во много раз больше, чем вдоль продольной оси. Поэтому при равных составляющих МДС якоря вдоль продольной и поперечной осей магнитный поток реакции якоря вдоль поперечной оси значительно меньше и составляет, примерно, 60 % от потока вдоль продольной оси.

11.19. Индуктивное сопротивление синхронной машины

Результирующий магнитный поток машины условно можно разделить на три составляющие: основной магнитный поток III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , поток рассеяния III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и поток реак­ции якоря III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Основной магнитный поток III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru наводит в обмотке статора ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Эта ЭДС представлена характеристикой холостого хода (рис. 11.20). Потоки III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru создаются током статора и пропорциональны ему. В обмотке статора эти потоки наводят ЭДС самоиндукции

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ,

где III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – индуктивность рассеяния и индуктивность реакции якоря.

В расчетах ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru учитываются как падения напряжений на индуктив­ном сопротивлении рассеяния III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и на индуктивном сопротивле­нии реакции якоря III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Сумму сопротивлений III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru называют синхронным индуктивным сопротивлением. Такое определение соответствует неявнополюсным машинам. Для явнополюсных ма­шин этот параметр разделяют по осям и различают индексами – продольное син­хронное индуктивное сопротивление III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , поперечное синхронное индуктивное сопротивление III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , причем III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

Синхронное индуктивное сопротивление в сотни раз больше активного сопротивления обмотки статора. В дальнейшем будем считать R = 0 и исполь­зовать параметр III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

11.20. Схема замещения и упрощенная векторная диаграмма
ЭДС и МДС синхронного генератора

Схема замещения синхронного генератора с учетом принятых допущений представлена на рис. 11.22 в виде источника ЭДС с внутренним сопротивле­нием III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Сопротивление нагрузки III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru Уравнение цепи по второму закону Кирхгофа

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

Отсюда напряжение

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . (11.52)

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . (11.53)

Уравнениям (11.52) и (11.53) соответствует вектор­ная

диаграмма ЭДС на рис. 11.23.

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru

Рис. 11.23

Ток статора III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru отстает от ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru на угол III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , определяемый соотношением индуктивных и ак­тивных сопротивлений

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

Сдвиг вектора тока III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru по отношению к вектору напряжения определяется па­раметрами нагрузки

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

Взаимосвязь векторов III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru осуществляется через вектор падения напря­жения III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , который строится под углом 90° к вектору III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . На этом же ри­сунке построена векторная диаграмма МДС. Вектор МДС ротора III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru опережает вектор III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru на 90°, вектор МДС якоря III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , приведенный к ротору, совпадает по фазе с током III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , а результирующая МДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru опережает вектор напряжения III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru на 90°.

Из диаграмм МДС и ЭДС следует, что режим работы синхронного генера­тора характеризуется углом между вектором напряжения III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и равным ему углом между результирующим магнитным потоком III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и потоком ро­тора III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Это означает, что у генератора полюсы ротора вращаются впереди полюсов поля статора с опережением на угол III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

11.21. Характеристики синхронного генератора при автономной
работе

Характеристика холостого хода была рассмотрена в параграфе 11.17.

Характеристика короткого замыкания представляет собой зависимость III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru при U = 0 и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . При допущении R = 0 из (11.52) следует, что ток короткого замыкания является чисто индуктивным и по модулю равен

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . (11.54)

При коротком замыкании реакция якоря является размагничиваю­щий, результирующий магнитный поток мал, магнитная цепь ненасыщена и характеристика короткого замыкания прямолинейна (рис. 11.24).

Следует отметить, что в (11.54) и числитель и знаменатель пропорцио­нальны частоте вращения и поэтому характеристики короткого замыкания не зависят от частоты вращения, за исключением малых скоростей, когда оказывает влияние активное сопротивление обмотки статора.

Внешняя характеристика. Это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru при III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Если принять на­чальное напряжение III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , то вид внешних характеристик будет соответство­вать рис. 11.25. При активно-индуктивной нагрузке ( III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru < 1) поток реакции якоря размагничивает машину и напряжение уменьшается с увеличением тока на­грузки по кривой 1. При активной нагрузке ( III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 1,0) поперечная реакция якоря также вызывает уменьшение напряжения (кривая 2). При активно-емко­стной нагрузке продольная намагничивающая реакция увеличивает ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , следовательно, и напряжение (кривая 3).

  III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru Рис. 11.24 III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru Рис. 11.25

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru при III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Вид семейства регулировочных характери­стик показан на рис. 11.26, а их физический смысл объясняется действием ре­акции якоря при различном характере нагрузки. Обычно номинальным режи­мом работы генератора является III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 0,8 (при индуктивной нагрузке). В этом случае для поддержания III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru при переходе от холостого хода ( III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ) к номинальной нагрузке ( III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ) необходимо увеличить ток возбуждения в 1,7...2,2 раза.

11.22. Параллельная работа синхронного генератора с сетью

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru Рис. 11.26

Электрическая система большой мощности по отношению к генератору может быть представлена источником с неизменным напряжением. Режим ра­боты генератора можно проанализировать с помощью векторной диаграммы (рис. 11.23).

Мощность генератора

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

Путем преобразований можно доказать, что мощность синхронного генератора

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

Электромагнитный момент

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ,

где III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru или III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . (11.55)

Так как III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru , III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru то мощность и электромагнитный момент генератора при постоянном токе возбуждения зависят только от угла III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Эта зави­симость синусоидальна и называется угловой характеристикой синхрон­ного генератора (рис. 11.27). При увеличении момента на валу первичного двигателя генератор от­дает в сеть большую мощность. Предельным значением является момент и мощность при III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 90°, после чего генератор выпадает из синхронизма.

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru Рис. 11.27

Максимальные мощность и момент III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ; III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru .

Рис. 11.28

Следовательно, регулиро­вать активную мощность генера­тора можно за счет первичного двигателя. Регулирование реактивной мощности гене­ратора осуществляется изменением тока возбуждения.

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru На рис. 11.28 показаны зави­симости тока статора от тока возбуждения, называемые U-образными характеристиками. Минимум тока статора соответст­вует активной нагрузке ( III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru = 1,0). Перевозбуждение генератора означает гене­рирование реактивной мощности, невозбуждение – емкостный режим на­грузки.

Включение синхронного генератора на параллельную работу является от­ветственной операций и требует соблюдения следующих условий:

– напряжение включаемого генератора должно быть равно напряжению сети;

– частота генератора должна быть равной частоте сети;

Рис. 11.28

– чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

– напряжения генератора и сети должны быть в фазе.

Для соблюдения этих условий применяют различные схемы синхронизации.

11.23. Работа синхронной машины в режиме синхронного двигателя

В отличие от синхронного генератора в синхронном двигателе ось полюсов ротора отстает от оси полюсов вращающегося магнитного поля статора на угол III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru и электромагнитный момент определяется по уравнению (11.55). Уравнения электрического баланса аналогичны режиму генератора. Поэтому генератор и двигатель характеризуются общими закономерностями.

Активная мощность синхронного двигателя зависит от тормозного мо­мента на валу. При этом ЭДС III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru отстает от напряжения III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru на угол III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru . Предель­ным моментом является наибольший электромагнитный момент, за которым синхронный режим нарушается.

Реактивная мощность синхронного двигателя регулируется изменением тока возбуждения. При недовозбуждении реактивная мощность имеет индук­тивный характер, при перевозбуждении – емкостный.

11.24. Синхронные автотракторные генераторы

В настоящее время широко применяют трехфазные синхронные генера­торы для электропитания бортовых приборов мобильных машин. Имеются несколько моди­фикаций их исполнения.

11.24.1. Вентильные генераторы с клювообразным ротором

Вентильный генератор (рис. 11.29) представляет собой синхронную ма­шину, имеющую ротор клювообразного типа, обмотку возбуждения, статор с малым числом пазов на фазу и станину. Принципиальная схема генератора с трехфазной мостовой схемой выпрямителя приведена на рис. 11.30.

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru

Рис. 11.29

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru

Рис. 11.30

11.24.2. Вентильные генераторы индукторного типа

Вентильные генераторы индукторного типа являются бесконтактными. Прин­цип действия показан на рис. 11.31 и 11.32. При вращении ротора положе­ние его зубцов по отношению к зубцам статора изменяется и магнитный поток пе­риодически изменяется от максимального до минимального значения. В витках ка­тушки статора индуктируется переменная ЭДС с частотой, пропорциональной час­тоте ротора

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ,

где III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – амплитудное значение ЭДС, III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – число витков в катушке и III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – число последовательно включенных катушек.

Действующее значение ЭДС фазы

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru ,

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru
Рис. 11.31 Рис. 11.32

где III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru – число зубцов ротора.

Индукторные генераторы разделяют на аксиально-возбуждаемые (ка­тушки возбуждения расположены вдоль оси машины) и радиально-возбуждае­мые (катушки возбуждения расположены вдоль радиусов машины). В любом исполнении в синхронном индукторном генераторе обмотки якоря и возбужде­ния расположены неподвижно, т.е. не требуется подвижных контактов.

11.24.3. Автотракторные генераторы переменного тока
с постоянными магнитами

Генераторы переменного тока с постоянными магнитами представляют собой синхронные бесконтактные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов. Они надежны в работе, обладают высоким КПД, малой инерционностью, имеют малые помехи радиоприему. К недостаткам этих гене­раторов относятся высокая стоимость, масса и габаритные размеры, большой разброс характеристик, нестабильность выходных параметров, трудность регу­лирования напряжения при изменении частоты вращения ротора и нагрузки.

Автомобили и тракторы имеют различные приборы, которые работают независимо один от другого. Для ограничения влияния изменения сопротивле­ния нагрузки на напряжение генератора его электрические и магнитные цепи выполняют независимыми (рис. 11.33).

III. Принцип действия и режимы работы синхронной машины - student2.ru

Рис. 11.33

Генератор, схема которого приведена на рис. 11.33 а, исключает взаимное влияние цепей и по существу соответствует трем генераторам с общим ротором. Разде­ление магнитных цепей неэффективено с точки зрения использования магнито­провода генератора. Поэтому в реальных машинах разделяют только электриче­ские цепи (рис. 11.33 б).

Наши рекомендации