Тема: «синхронные машины. Работа под нагрузкой».

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 I_а 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 Ф_рез 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 U_с 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 I_в, 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;

  Ф_в – 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(I_в) или в другом масштабе Ф_в= f(I_в) 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 Ф_а и возбуждения Ф_в будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Ф_рез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. F_в обмотки возбуждения и м.д.с. F_а 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. F_в, 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 I_а в обмотке якоря. Этот угол определяется характером нагрузки, т.е. величинами сопротивлений R, x_L и x_c.

 

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 I_а. 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 F_а расположится по оси фазы А (на рисунке горизонтально). Направление вектора намагничивающей силы F_а 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 R_mq>R_md.

=F_acosφ

 

       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 F_а 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:

F_d=F_asinψ,

F_q=F_acosψ,

где F_a= .

       Действие составляющей F_d сведено к случаю индуктивной нагрузки (составляющая F_d=F_asinψ является продольной намагничивающей силой реакции якоря и, действуя размагничивающе, ослабляет поле). Действие составляющей F_q сведено к случаю чисто активной нагрузки; составляющая F_q=F_acosψ является поперечной намагничивающей силой реакции якоря.