Синхронные машины

СИНХРОНЫЕ МАШИНЫ.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

Магнитное поле и параметры обмотки якоря

Продольная и поперечная реакция якоря.

Характеристики синхронных генераторов

Магнитные поля и параметры

успокоительной обмотки

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

Характеристика холостого хода

Характеристика короткого замыкания

Опытное определение

Отношение короткого замыкания (о. к. з.).

Внешняя характеристика

Рис 1.а

Номинальное изменение напряжения синхронного генератора

Регулировочная характеристика

Нагрузочная характеристика

Общая характеристика переходных процессов синхронных машин

Гашение магнитного поля и переходные процессы в цепях индуктора

Способы гашения поля.

Машина без успокоительной обмотки при разомкнутой обмотке якоря.

Машина с успокоительной обмоткой при

разомкнутой обмотке якоря

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

Включение синхронных генераторов на параллельную работу

Условия синхронизации генераторов.

Синхронизация с помощью лампового синхроноскопа

Другие методы синхронизации.

Синхронные режимы параллельной работы

синхронных машин

Изменение реактивной мощности.

Режим синхронного компенсатора.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и двигателя.

Работа синхронной машины при постоянной мощности и переменном возбуждении

Асинхронный режим невозбужденной синхронной машины

Схемы замещения и их параметры.

Рис.1

Асинхронный режим возбужденной

синхронной машины

Самовозбуждение синхронной машины

Асинхронное самовозбуждение

Синхронные двигатели

Применение синхронных двигателей.

Способы пуска синхронных двигателей.

Векторные диаграммы синхронных двигателей

Рабочие характеристики синхронного двигателя

Синхронные компенсаторы

Работа синхронных генераторов при несимметричной нагрузке

Потери энергии и нагрев ротора.

Вибрация.

колебания синхронных машин

Вынужденные колебания

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

              Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется так же обмоткой. Сердечник ротора вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. условно показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.

Рис 1, а.

Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, пита­емую через два контактных кольца и щетки постоянным током от

Рис 1,б

постороннего источника. В качестве источника чаще всего служит генератор постоянного тока относительно небольшой мощности (0,3—3,0% от мощности синхронной машины), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с синхронной машиной. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине первичного магнитного поля. Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения называется также индуктором. При изготовлении синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы распределение индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было по возможности близко к синусоидальному.

Если ротор синхронной машины привести во вра­щение с некоторой скоростью п об/сек и возбудить его, то поток возбуждения Фf будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах последней будут индуктироваться э. д. с. с частотой

Э. д. с. статора составляют симметричную трехфазную систему э. д. с., и при подключении к обмотке статора симметричной на­грузки эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.

При нагрузке обмотка статора создает такое же по своему характеру вращающееся магнитное поле, как и обмотка статора асинхронной машины. Это поле статора вращается в направлении вращения ротора со скоростью

                            об/сек.

Если подставить сюда f1 из формулы, то получим

.

Поля статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью и образуют, таким образом, общее вращающееся поле, как и в асинхронной машине.

Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора (индуктора) и называется в связи с этим также полем реакции якоря.      

Синхронная машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Из формулы следует, что чем больше число пар полюсов синхронной машины р, тем меньше должна быть ее скорость вра­щения f1 для получения заданной частоты f1.

По своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные (Рис 1,а) и неявнополюсные (Рис 1,б).

Магнитное поле и параметры обмотки якоря

Общие положения.

При нагрузке обмотки якоря синхронной машины током она создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря. В нормальных машинах постоянного тока, с установкой щеток на геометрической нейтрали, поле реакции якоря является попе­речным, т. е. действует поперек оси главных полюсов. Поэтому оно не индуктирует э. д. с. в обмотке якоря и оказывает относительно слабое влияние на величину потока в воздушном зазоре и на ха­рактеристики машины. В отличие от машин постоянного тока в синхронной машине влияние реакции якоря на величину магнит­ного потока весьма значительно. Это обусловлено прежде всего тем, что в синхронной машине в общем случае возникает также значи­тельная продольная реакция якоря усиливающая или ослабляющая поток полюсов. Кроме того, поле поперечной реакции якоря син­хронной машины также индуктирует значительную э. д. с. в обмотке якоря.

Поэтому реакция якоря синхронной машины оказывает весьма значительное влияние на характеристики и поведение синхрон­ной машины как при установившихся, так и при переходных режимах работы.

Индуктор (ротор) явнополюсной машины имеет магнитную несимметрию, так как ввиду наличие большого междуполюсного пространства магнитное сопротивление -потоку, действующему по направлению поперечной оси q, т. е. по оси междуполюсного про­странства, значительно больше магнитного сопротивления потоку, действующему по продольной оси d. Поэтому одинаковая по вели­чине н. с. якоря при ее действии по продольной оси создает больший магнитный поток, чем при действии по поперечной оси. Кроме того, как ротор явнополюсной, так и ротор неявнополюсной машины имеют также электрическую несимметрию, так как их обмотки воз­буждения расположены только по продольной оси d, т. е. создают поток, действующий по оси d, и сами сцепляются только с потоком якоря, действующим по этой же оси. Электрическая несимметрия индукторов синхронных машин существенным образом проявляется при несимметричных и переходных режимах их работы.

Ввиду несимметричного устройства индуктора возникает необ­ходимость рассматривать действие реакции якоря по продольной и поперечной осям в отдельности. Метод такого рассмотрения впервые был предложен французским электротехником А. Блонделем в 1895 г. и называется методом или теорией двух реакций.

Метод двух реакций основан на принципе наложения, при котором предполагается, что магнитные потоки, действующие по поперечной оси, не влияют на величину потоков, действующих по продольной оси, и наоборот. Ввиду наличия определенного насы­щения участков магнитной цепи это предположение не вполне пра­вильно. Однако- учет влияния насыщения очень сложен, а опре­деленные коррективы могут быть внесены дополнительно.

Продольная и поперечная реакция якоря.

Рассмотрим действие реакции якоря многофазной синхронной машины при установив­шейся симметричной нагрузке. Для наглядности будем иметь в виду двухполюсную машину и предположим, что она ра­ботает в режиме генератора. Получаемые результаты нетрудно

распространить также на двигательный режим работы. Ради простоты и наглядности на рискаждая фаза обмотки изображена в виде одного витка с полным шагом {А—X, В—У, С—Z), буквами N, S указана полярность поля возбуждения, а магнитные линии этого поля не показаны.

Сначала рассмотрим случай, когда угол сдвига фаз между током якоря и э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря током или полем возбуждения, равен нулю (рис а). Ротор вращается с электрической угловой скоростью

и при положении ротора, изображенном на рис а,  э. д. с. фазы А максимальна. Так как = 0, то ток этой фазы также мак­симален и

Направления токов iа, ib,, ic, нетрудно установить по правилу правой руки, и они указаны на рис. а крестиками и точками. При этих направлениях токов магнитные линии поля реакции якоря в полюсах и теле якоря направлены поперек оси полюсов d. Следовательно, поток реакции якоря Ф„ действует по поперечной оси. Такой характер поля реакции якоря

Поперечная реакция якоря вызывает искажение кривой поля в воздушном зазоре, как и в машинах постоянного тока, но в син­хронной машине действие ее не ограничивается этим, так как вра­щающееся поле поперечной реакции якоря индуктирует также э. д. с. в обмотке якоря. Величина этой э. д. с. определяется ниже.

Если ток I отстает от э. д. с. на = 90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравне­нию со случаем на рис а на четверть периода позднее, когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке (рис. б). Токи фаз на рис. б , имеют такие же значения, как и на рис. а, вследствие чего и ориентация магнитного пото­ка якоря в пространстве является такой же.

Если ток I опережает э. д. с. на = -90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис. а на чет­верть периода раньше и в этот момент времени ротор занимает по сравнению с рис. а положение, повернутое на 90° против направления вращения (рис. в).

Токи фаз на рис. в имеют такие же значения, как и на рис а.

Из рис. 32-9, в видно, что при опережающем токе и =-90° реакция якоря также действует по продольной оси, но является по отношению к полю возбуждения чисто намагни­чивающей, т. е. она увеличивает поток по продольной оси ма­шины (продольная намагничивающая реакция якоря).

Поэтому в общем случае, ток I можно разложить на две составляющие:

Характеристики синхронных генераторов

Среди разнообразных характеристик синхронных генераторов отдельную группу составляют характеристики, которые опре­деляют зависимость между напряжением на зажимах якоря U, током якоря I и током возбуждения if при f = fн или п = nн = const в установившемся режиме работы. Эти характери­стики дают наглядное представление о ряде основных свойств синхронных генераторов.

Они могут быть построены по расчетным данным, с помощью векторных диаграмм, или по данным соответствующих опытов.

Характеристики явнополюсных и неявнополюсных генераторов в основном одинаковы.

Схемы для снятия рассматриваемых ниже характеристик опыт­ным путем изображены на рис. На рис. а обмотка якоря Я нагружается с помощью симметричных регулируемых нагрузоч­ных сопротивлений Zнг.

(например, трехфазный реостат и трехфаз­ная индуктивная катушка, включаемые параллельно).

На рис. б генератор нагружается на сеть Uc через индук­ционный регулятор напряжения или регулируемый трехфазный трансформатор, или автотрансформатор РТ. Активная мощность генератора в обоих случаях регулируется путем изме­нения момента двигателя, вращающего генератор. В схеме рис. 6 воздействие на РТ изменяет напряжение генератора и его реактив­ную мощность или cos. На практике удобно пользоваться схемой рис  б.

На рисунке предполагается, что обмотка возбуждения 0В пи­тается от постороннего источника. Регулирование тока if в обоих случаях производится с помощью реостата R. Величина cos   про­веряется по показаниям двух ваттметров.

Все характеристики для наглядности целесообразно строить в относительных единицах.

Магнитные поля и параметры

успокоительной обмотки

В нормальных установившихся режимах работы многофазной синхронной машины основная гармоника н. с. реакции якоря вращается синхронно с ротором, неизменна по величине и по­этому токов в успокоительной или пусковой обмотке, располо­женной в полюсных наконечниках, не индуктирует.

При этих условиях относительно небольшие токи в стержнях ус­покоительной обмотки индуктируются только в результате действия высших гармоник н. с. обмотки якоря и зубцовых пульсации маг­нитного поля. Эти токи вызывают добавочные потерн, которые учи­тываются при определении к. п. д.

Однако при неустановившихся, несимметричных и других особых режимах работы потоки основных гармоник поля реак­ции якоря Фad и Фqd изменяются или пульсируют во времени и индуктируют в успокоительной обмотке значительные по ве­личине токи.

Распределение этих токов в стержнях успокоительной или пус­ковой обмотки показано на рис.1 а и 2 а.

Рис 1.

Рис 2.

Эти токи создают в воздушном зазоре магнитные поля определенной формы, которые можно разложить на основную и высшие гармоники (рис.1б и 2б). Основные гармоники поля успокоительной обмотки обусловливают явление взаимной индукции с обмоткой якоря, а высшие гармоники образуют поле дифференциального рассеяния успокоительной обмотки. Кроме того, существуют также поля па­зового и лобового рассеяния успокоительной обмотки.

Ротор явнополюсной синхронной машины в магнитном отно­шении несимметричен. Кроме того, его успокоительная или пуско­вая обмотка несимметрична и в электрическом отношении, так как контуры токов, составляемые стержнями и участками торцевых замыкающих колец этой обмотки, различны для токов, индукти­руемых продольным и по­перечным потоками реакции якоря (рис. 1а и 2а). Поэтому количест­венные соотношения, характе­ризующие электромагнитные процессы, для осей d и q раз­личны. Для поля воздушного зазора это проявляется в том, что кривые поля имеют раз­личный вид (рис. 1б и 2б). Токи в отдельных стержнях на рис. 1 а также различны. Это же спра­ведливо и для рис. 2а.