Синхронные машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Синхронные машины

Вопросы:

1. Назначение, преимущество, недостатки

2. Устройство СМ

3. Режимы работы

- работа в режиме синхронного генератора

- работа в режиме синхронного двигателя

- работа в режиме синхронного компенсатора

Назначение, преимущество и недостатки.

Синхронной называется машина, у которой частота вращения магнитного поля статора и ротора одинакова (синхронна)

Синхронный генератор - главная машина на наших электростанциях для энергоснабжения. Её достоинство - большая мощность 1200МВт

Синхронный двигатель - мощность 60 МВт. Область применения - для мощных воздуходувочных мощных насосов, для мощных вентиляторов, для повышения cosц. СД малой мощности, обладающие постоянной скоростью вращения применяются для лентопротяжных механизмов, самопишущих приборов, для привода различных компьютерных устройств и других механизмов с постоянной скоростью перемещения.

Устройство Синхронной машины

1. Статор

2. Ротор

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря, и вращающегося ротора, служащего индуктором.

Статор, так же как у асинхронный машины, представляет собой полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали со штампованными на внутренней поверхности пазами, в которые укладывается трехфазная обмотка.

Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током через два изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с ротором. Постоянный ток подводится к ротору через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам.

Принцип получения трехфазной системы ЭДС был рассмотрен в главе "Трехфазные цепи".

Конструктивно различают два типа роторов: явнополюсный (рис. 11.18 а) и неявнополюсный (рис. 11.18 б).

Явнополюсный ротор, имеющий выступающие полюсы, применяют у машин с частотой вращения до 1000, 1500 об/мин. Неявнополюсный ротор, имеющий вид цилиндра, применяют при скоростях 1500 и 3000 об/мин.

Принцип действия и режимы работы синхронной машины

Холостой ход синхронного генератора



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 генератор синхронный энергоснабжение

, (11.49)

Рис. 11.20

где - обмоточный коэффициент; - число витков одной фазы обмотки статора;

- частота синусоидальных ЭДС;

- число пар полюсов; - максимальный магнитный поток полюса ротора; - синхронная частота вращения. Согласно (11.49) ЭДС статора при неизменной частоте пропорциональна потоку. Изменяя ток возбуждения, можно регулировать магнитный поток и ЭДС генератора.

Зависимость при называется характеристикой холостого хода (рис. 11.20). Она применяется при расчете других характеристик и анализе режимов работы синхронных генераторов и двигателей.

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.



а) б) в)

Рис. 11.21

Рис. 11.21 а поясняет реакцию якоря при активной нагрузке, когда угол сдвига по фазе между ЭДС и током 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 поворачивается относительно потока ротора на некоторый угол в направлении, противоположном направлению вращения ротора. Следовательно, при активной нагрузке (= 0) реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

Рис. 11.21 б соответствует фазовому сдвигу = 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 = 90° реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения размагничивающей.

Рис. 11.21 в соответствует опережающему току относительно ЭДС на угол = -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 -90° реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения намагничивающей.

В общем случае, когда 0 и 90°, ток можно разложить на составляющие:

по продольной оси ; (11.50)

по поперечной оси . (11.51)

Продольная составляющая тока якоря создает продольную реакцию якоря, а поперечная - поперечную реакцию якоря. Угол считается положительным, когда ток отстает от ЭДС .

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

Индуктивное сопротивление синхронной машины

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

,

где - индуктивность рассеяния и индуктивность реакции якоря.

В расчетах ЭДС и учитываются как падения напряжений на индуктивном сопротивлении рассеяния

и на индуктивном сопротивлении реакции якоря

. Сумму сопротивлений

называют синхронным индуктивным сопротивлением. Такое определение соответствует неявнополюсным машинам. Для явнополюсных машин этот параметр разделяют по осям и различают индексами - продольное синхронное индуктивное сопротивление , поперечное синхронное индуктивное сопротивление , причем .

Синхронное индуктивное сопротивление в сотни раз больше активного сопротивления обмотки статора. В дальнейшем будем считать R = 0 и использовать параметр .

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 . Сопротивление нагрузки

.

Уравнение цепи по второму закону Кирхгофа

.

Отсюда напряжение

. (11.52)

. (11.53)

Уравнениям (11.52) и (11.53) соответствует векторная

диаграмма ЭДС на рис. 11.23.

Рис. 11.23

Ток статора отстает от ЭДС на угол , определяемый соотношением индуктивных и активных сопротивлений

.

Сдвиг вектора тока по отношению к вектору напряжения определяется параметрами нагрузки

.

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

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

Характеристики синхронного генератора при автономной работе

Характеристика холостого хода была рассмотрена в параграфе 11.17.

Характеристика короткого замыкания представляет собой зависимость

при U = 0 и . При допущении R = 0 из (11.52) следует, что ток короткого замыкания является чисто индуктивным и по модулю равен

. (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

при , . Если принять начальное напряжение , то вид внешних характеристик будет соответствовать рис. 11.25. При активно-индуктивной нагрузке (< 1) поток реакции якоря размагничивает машину и напряжение уменьшается с увеличением тока нагрузки по кривой 1. При активной нагрузке (= 1,0) поперечная реакция якоря также вызывает уменьшение напряжения (кривая 2). При активно-емкостной нагрузке продольная намагничивающая реакция увеличивает ЭДС , следовательно, и напряжение (кривая 3).

Рис. 11.24	Рис. 11.25

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость

при ,, . 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 = 0,8 (при индуктивной нагрузке). В этом случае для поддержания при переходе от холостого хода () к номинальной нагрузке () необходимо увеличить ток возбуждения в 1,7...2,2 раза.

Параллельная работа синхронного генератора с сетью

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

.

Путем преобразований можно доказать, что мощность синхронного генератора

.

Электромагнитный момент

,

где или . (11.55)

Так как , то мощность и электромагнитный момент генератора при постоянном токе возбуждения зависят только от угла . 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 = 90°, после чего генератор выпадает из синхронизма.

Рис. 11.27

Максимальные мощность и момент

; .

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



На рис. 11.28 показаны зависимости тока статора от тока возбуждения, называемые U-образными характеристиками. Минимум тока статора соответствует активной нагрузке (= 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;

- чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

- напряжения генератора и сети должны быть в фазе.

Для соблюдения этих условий применяют различные схемы синхронизации.

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 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 отстает от напряжения на угол . 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.

Синхронные автотракторные генераторы

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

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.

Рис. 11.29



Рис. 11.30

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

,

где -

амплитудное значение ЭДС, - число витков в катушке и - число последовательно включенных катушек.

Действующее значение ЭДС фазы

,



Рис. 11.31

Рис. 11.32

где - 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.

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).

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).

Размещено на Allbest.ru