СИНХРОНЫЕ МАШИНЫ. 
 

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 Ф_f 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 i_а, i_b,, i_c, 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 i_f при f = f_н или п = n_н = 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 Z_нг.  

 

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

     На  рис. б генератор нагружается на сеть U_c 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 i_f 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 Ф_ad и Ф_qd 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.