Синхронные машины

Синхронной электрической машиной называется машина переменного тока, в которой частота вращения ротора n равна частоте вращения магнитного потока статора n1 и, следовательно, определяется частотой тока сети f1, т.е. , об/мин, где p - число пар полюсов обмотки статора.

Синхронный генератор является основным типом генератора переменного тока, применяемым в процессе производства электроэнергии (рис. 3.1).

Синхронные двигатели в отличие от асинхронных двигателей имеют строго постоянную частоту вращения, не зависящую от нагрузки.

Преимуществом синхронных двигателей является возможность регулирования их коэффициента мощности и коэффициента мощности электрической системы.

Синхронные машины имеют еще одно весьма важное применение - в качестве синхронного компенсатора, дающего возможность улучшить коэффициент мощности электрической системы.

Рис. 3.1

1 - контактные кольца; 2 - щеткодержатели; 3 - полюсная катушка ротора; 4 - полюсный наконечник; 5 - сердечник статора; 6 - вентилятор; 7 - вал

Устройство и принцип действия синхронной машины

По своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные (рис. 3.2).

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины и называется якорем. Трехфазная обмотка якоря синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор. На рис. 3.2 условно показаны только клеммы начал фаз А, В, С обмотки якоря.

Рис. 3.2

1 - статор (якорь); 2 - ротор (индуктор); 3 - обмотка возбуждения

Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, подключенную через два контактных кольца и щетки к источнику постоянного тока. Назначение обмотки возбуждения - создание в машине основного магнитного потока. Ротор вместе с обмоткой возбуждения называется индуктором.

Если ротор синхронной машины привести во вращение с частотой вращения n и возбудить его, то поток возбуждения  будет индуктировать в обмотке якоря ЭДС с частотой .

ЭДС обмотки якоря составляют симметричную трехфазную систему и при подключении к обмотке якоря генератора симметричной нагрузки, эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.

При нагрузке обмотка якоря создает свое вращающееся магнитное поле, которое вращается в том же направлении, что и ротор с частотой , об/мин. Поля якоря и ротора вращаются с одинаковой частотой и неподвижны друг относительно друга.

Синхронная машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке якоря трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей якоря и ротора, поле якоря увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в том же направлении, что и поле якоря.

Магнитное поле обмотки возбуждения синхронной машины

Явнополюсная машина. На рис. 3.3, а изображено магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины на протяжении полюсного деления t. Распределение магнитной индукции поля обмотки возбуждения  на внутренней поверхности якоря представлено на рис. 3.3, б. Реальное распределение (1) магнитной индукции , вследствие несинусоидальности, можно разложить на основную (2) и высшие гармонические составляющие.

Рис. 3.4 Рис. 3.3

Выше названные гармоники поля обмотки возбуждения индуктируют в обмотке якоря основную и высшие гармоники ЭДС. Высшие гармоники ЭДС малы, так как малы соответствующие им гармоники магнитной индукции поля обмотки возбуждения, а также и из-за укорочения шага обмотки якоря и ее распределения.

Амплитуда основной гармоники поля равна

,

где  - амплитуда реального распределения индукции поля обмотки возбуждения;  - коэффициент формы поля обмотки возбуждения;  - минимальный воздушный зазор;  - максимальный воздушный зазор;  - длина дуги полюсного наконечника; a - коэффициент полюсной дуги;  - магнитная проницаемость воздуха;  - коэффициент воздушного зазора;  - коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси (продольная ось d совпадает с продольной осью симметрии каждого полюса индуктора, поперечная ось q посередине между соседними главными полюсами);  - магнитодвижущая сила (МДС) полюса обмотки возбуждения; wf, if - число витков и ток обмотки возбуждения.
Обычно , , что позволяет обеспечить высокие значения коэффициента формы поля обмотки возбуждения .

Неявнополюсная машина. На рис. 3.4, а изображено магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре неявнополюсной синхронной машины на протяжении полюсного деления t. Распределение магнитной индукции поля обмотки возбуждения  на внутренней поверхности якоря представлено на рис. 3.4, б. Реальное распределение (1) магнитной индукции  имеет вид трапеции, которое можно разложить на основную (2) и высшие гармонические составляющие.

Амплитуда основной гармоники поля обмотки возбуждения

,

где  - коэффициент формы поля обмотки возбуждения;  - обмоточный коэффициент обмотки возбуждения; y - отношение числа пазов обмотки возбуждения к полному числу пазовых делений наружной поверхности индуктора. Обычно , что позволяет получить

Магнитное поле и параметры обмотки якоря

При наличии тока в обмотке якоря синхронной машины возникает магнитное поле, действие которого на магнитное поле обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Индуктор (ротор) явнополюсной машины имеет магнитную несимметрию вследствие большого магнитного сопротивления междуполюсного промежутка (поперечная ось q). Кроме того, ротор синхронной машины (как явнополюсной, так и неявнополюсной) имеет и электрическую несимметрию, так как ось обмотки возбуждения каждого полюса расположена только по продольной оси d.

Ввиду наличия магнитной несимметрии у явнополюсного индуктора возникает необходимость рассматривать действие реакции якоря по продольной и поперечной осям в отдельности. Метод такого рассмотрения называется методом или теорией двух реакций. При этом предполагается, что магнитные потоки, действующие по поперечной оси, не влияют на значение потоков, действующих по продольной оси, и наоборот.

Продольная и поперечная реакции якоря

Рассмотрим действие реакции якоря синхронного генератора при установившейся симметричной нагрузке (рис. 3.5 - 3.7). Обмотка якоря изображена в виде упрощенной трехфазной обмотки, как при рассмотрении вращающегося магнитного поля асинхронной машины. Каждая фаза представляет собой виток с полным шагом (A - X, B - Y, C - Z).

Полярность поля обмотки возбуждения обозначена буквами N, S а силовые линии этого поля не изображены.

Синхронные генераторы обычно работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Для выяснения влияния реакции якоря на работу синхронного генератора рассмотрим случаи его работы при нагрузках предельного характера: активного, индуктивного, емкостного.

Активная нагрузка. Для положения, которое занимает вращающийся ротор, ЭДС фазы А максимальна. Так как угол , то ток фазы А также максимален , а в остальных фазах (рис. 3.5).

Направления ЭДС и токов нетрудно установить по правилу правой руки и обозначить крестиками и точками. При этих направлениях токов ось магнитного поля реакции якоря направлена по поперечной оси q. Направление поля реакции якоря для угла  сохраняется для любого положения вращающегося ротора, т. к. ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно.

Индуктивная нагрузка. В случае индуктивной нагрузки угол между ЭДС обмотки якоря  и током  равен 90 эл. град. (рис. 3.6).

Это означает, что максимум тока в фазе А наступит по сравнению с предыдущим случаем на четверть периода позднее, когда ротор повернется на  по часовой стрелке. При отстающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является размагничивающей (продольная размагничивающая реакция якоря).

Рис. 3.7

Емкостная нагрузка. В случае емкостной нагрузки угол сдвига Y между ЭДС обмотки якоря  и током  равен -90 эл. град. (рис. 3.7). Это означает, что максимум тока в фазе A наступит по сравнению со случаем рис. 3.5 на четверть периода раньше. При опережающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является намагничивающей (продольная намагничивающая реакция якоря).
При смешанной нагрузке, когда  и ток можно разложить на две составляющие (рис. 3.8) ,  где  - продольная и поперечная составляющие тока якоря.

Рис. 3.8

Магнитные поля и ЭДС продольной и поперечной реакции якоря

Продольная и поперечная составляющие тока якоря создают продольную и поперечную составляющие МДС якоря с соответствующими амплитудами:

,

,

где m - число фаз обмотки якоря; - число витков фазы и обмоточный коэффициент обмотки якоря; p - число пар полюсов обмотки якоря.
Максимум волны МДС якоря по продольной оси совпадает с продольной осью (рис. 3.9), а максимум волны МДС якоря по поперечной оси - с поперечной осью (рис. 3.10). В случае равномерного воздушного зазора между якорем и ротором названные МДС создали бы синусоидальные пространственные волны индукции магнитных полей с амплитудами  и . Вследствие неравномерности воздушного зазора действительные распределения индукции (3) не будут синусоидальными. Раскладывая их на гармонические составляющие, выделим основные гармоники (4) с амплитудами  и .

Рис. 3.9 Рис. 3.10

Основные гармоники индукций магнитных полей продольной и поперечной реакции якоря созданы соответствующими потоками реакции якоря:

где  - коэффициенты формы поля продольной и поперечной реакции якоря.

Потоки Фad и Фaq вращаются синхронно с ротором и индуктируют в обмотке якоря ЭДС:

где  - ЭДС продольной и поперечной реакции якоря.

Рис. 3.11

Построение векторной диаграммы ЭДС и потоков синхронного генератора при смешанной нагрузке (рис. 3.11) позволяет получить результирующие ЭДС  и поток,  соответственно:

.

где  индуктирована потоком  
Электродвижущие силы  и  можно представить в виде:
, ,
где ,  - индуктивные сопротивления продольной и поперечной реакции якоря.

Векторные диаграммы напряжений синхронных генераторов

Явнополюсная машина. Уравнение напряжения синхронного явнополюсного генератора имеет вид:

где  - ЭДС рассеяния фазы обмотки якоря;  - индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки якоря.

Используя векторную диаграмму ЭДС (рис. 3.11) построим векторную диаграмму напряжения генератора при активно-индуктивной нагрузке, просуммировав с вектором  векторы падений напряжения на активном (-) и индуктивном (-) сопротивлениях фазы обмотки якоря (рис. 3.12). Угол между  и  называется углом нагрузки. В генераторном режиме работы  опережает , и угол  имеет всегда положительное значение, машина отдает активную мощность в сеть.

Проведя преобразования, получим  и :

,

где  - продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления фазы обмотки якоря.

Рис. 3.12 Рис. 3.13

Неявнополюсная машина. Вследствие равномерности воздушного зазора , , поэтому нет необходимости раскладывать ток якоря на составляющие  и . Уравнение напряжения неявнополюсного генератора имеет следующий вид:

Построение векторной диаграммы неявнополюсного генератора осуществляют следующим образом. С вектором  просуммируем векторы падений напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении  - и активном сопротивлении (-) фазы обмотки якоря (рис. 3.13).

Характеристики синхронного генератора

Рабочие свойства синхронного генератора оценивают его характеристиками, важнейшими из которых являются: характеристики холостого хода, трехфазного короткого замыкания, внешние, регулировочные, индукционная нагрузочная.

Характеристика холостого хода

 при I=0,

Рабочая точка A на характеристике холостого хода (рис. 3.14) располагается на участке перегиба характеристики. Характеристика (1) совпадает с ненасыщенным участком характеристики холостого хода и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи машины.

Рис. 3.14

Под коэффициентом насыщения магнитной цепи  понимают отношение суммарной МДС (отрезок ВА) к МДС воздушного зазора (отрезок BC). Для синхронных машин общего назначения

Выбор рабочей точки в области насыщения  приводит к резкому увеличению тока возбуждения. Обмотка возбуждения становится громоздкой. Выбор рабочей точки на линейной части  приводит к недоиспользованию магнитных материалов машины, увеличивает их расход.

Характеристика трехфазного короткого замыкания

 при

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря (), то уравнение напряжения в режиме короткого замыкания имеет вид

Рис. 3.15

где .

Вследствие малости величины падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния фазы обмотки якоря  следует, что ЭДС от результирующего магнитного потока индуктируется магнитным потоком такой малой величины, что магнитная цепь не насыщена и характеристика имеет линейный характер (рис. 3.15).