Синхронные машины. Синхронные машины 15 общие сведения

• Название: Синхронные машины 15 общие сведения
• Анкор: Синхронные машины.doc
• Дата: 17.01.2018
• Размер: 0.83 Mb.
• Имя файла: Синхронные машины.doc
• Тип: Документы; #14415
• страница: 1 из 7

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
15.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Синхронные электрические машины характерны тем, что у них ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора, подобного статору асинхронной машины. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой обычно электромагнит или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную угловую скорость последнего независимо от момента на валу. Это свойство синхронных машин позволяет использовать их в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной угловой скоростью. Распространенность синхронных двигателей не столь широка, как асинхронных, но в ряде случаев, например в металлургии, их использование становится необходимым. Единичная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает нескольких десятков мегаватт.

Основной областью применения синхронных машин является использование их в качестве промышленных генераторов для выработки электрической энергии на электростанциях.

Единичная мощность современных электрогенераторов достигает 1500MB-А.
15.2 УСТРОЙСТВО СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
Основными частями синхронной машины являются статор и ротор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины (см. рис. 14.1). Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укреплен внутри массивного корпуса. В пазах с внутренней стороны статора размещена обмотка переменного тока, в большинстве случаев трехфазная.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит — явнополюсный (рис. 15.1, где 1— полюсы, 2— полюсные катушки, 3— сердечник ротора, 4— контактные кольца) или неявнополюсный (рис. 15.2, где 1—сердечник ротора, 2— пазы с обмоткой, 3— контактные кольца). Ток в обмотку ротора поступает через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока — возбудителя.

У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют тоже р пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения равна:



При стандартной промышленной частоте 50 Гц максимальная частота вращения, соответствующая двухполюсной (р = 1) машине, будет 3000 об/мин. Это частота вращения современного турбоагрегата, состоящего из первичного двигателя — паровой турбины и неявнополюсного синхронного генератора (турбогенератора).

У гидроагрегата гидравлическая турбина вращается относительно медленно. Это вынуждает изготовлять гидрогенераторы многополюсными с явными полюсами и в большинстве случаев — вертикальным валом. Частота вращения этих генераторов — от 60 до нескольких сотен оборотов в минуту, чему соответствует несколько десятков пар полюсов. Вследствие относительно малых частот вращения генераторы к гидравлическим турбинам имеют значительно большую массу на единицу мощности — свыше 8 кг/ (кВ • А), чем генераторы к паровым турбинам — менее 2,5 кг/ (кВ • А).
15.3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
Л
юбая синхронная машина, включенная в электрическую систему, может работать в режиме генератора и двигателя. Режим работы синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине, так же как и в асинхронной, магнитное поле (см. § 14.3), вращающееся с угловой скоростью ω. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора (а) и двигателя (б) показано на рис. 15.3 штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью ωпары полюсов, расположенных на статоре.

Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.

Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.

Для того чтобы заставить синхронную машину, включенную в систему, работать в режиме генератора, отдавая в эту систему энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол у относительно оси полюсов статора в направлении вращения (рис. 15.3, а). Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создает тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование механической мощности первичного двигателя в электрическую мощность генератора, включенного в систему. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора.

Если теперь приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернется на некоторый угол относительно оси полюсов статора против направления вращения (рис. 15.3, б). Вновь возникнут токи в обмотках статора и создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины; таким путем синхронная машина переходит в режим двигателя.

Режим работы синхронной машины изменяется от генераторного на двигательный и обратно в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.
15.4. ПОЛУЧЕНИЕ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ЭДС В СИНХРОННОМ ГЕНЕРАТОРЕ
Обмотка статора синхронной машины устроена так же, как и обмотка асинхронной машины. Однако если в асинхронной машине главным магнитным потоком, индуктирующим ЭДС в фазных обмотках статора, является вращающееся магнитное поле, то в синхронной машине главным магнитным потоком, индуктирующим ЭДС в фазных обмотках статора, является магнитное поле, создаваемое постоянным током в обмотке вращающегося ротора.

В условиях холостого хода синхронного генератора магнитный поток, сцепляющийся с одним витком фазной обмотки статора, изменяется в пределах от + Ф_отдо — Ф_от, где Ф_от — максимальное значение магнитного потока, сцепленного с одним витком, создаваемое магнитным полем вращающегося с угловой скоростью со ротора.

В § 2.5 было показано, что в этом случае в одном витке фазной обмотки возникнет ЭДС, изменяющаяся по закону, близкому к синусоидальному, с амплитудой Е_От= ωФ_0т.

Вследствие того что секции, образующие каждую из фаз обмотки статора, распределены по нескольким пазам, их ЭДС складываются геометрически, что при расчете ЭДС фазной обмотки учитывается посредством обмоточного коэффициента k_o6< 1 (см. § 14.5).

Таким образом, действующее значение ЭДС фазной обмотки статора синхронной машины, имеющей wвитков на фазу, будет:



где ψ_o— действующее значение потокосцепления, создаваемого магнитным полем ротора с фазной обмоткой статора.

Для получения синусоидальной ЭДС в проводниках витков фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора. В случае явновыраженных полюсов для этой цели используется форма полюсных наконечников: явнополюсная машина изготовляется с неравномерным воздушным зазором, постепенно увеличивающимся от середины полюса к краям, благодаря чему магнитная индукция распределяется обратно пропорционально магнитному сопротивлению. Это дает возможность, посредством соответствующего подбора формы полюсного наконечника достичь приближенно синусоидального распределения вдоль окружности ротора.

Однако такой способ получения синусоидальной кривой неприменим для неявных полюсов быстроходных машин. В этих машинах путем соответствующего распределения обмотки возбуждения вдоль окружности ротора удается получить трапециевидное распределение индукции вдоль окружности ротора, что уже представляет собой существенное приближение к синусоиде. Для дальнейшего подавления высших гармонических в кривой ЭДС используются специальные свойства распределенной обмотки статора.
15.5. УРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФАЗЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только током возбуждения в обмотке ротора, но и токами в фазных обмотках статора (якоря). Следовательно, в синхронных машинах, как и в машинах постоянного тока, имеет место реакция якоря — воздействие МДС якоря на основное магнитное поле машины. Форма кривой ЭДС, индуктируемой в фазной обмотке нагруженного генератора, зависит не только от распределения поля ротора вдоль, окружности машины, но и от распределения поля статора. Последнее также должно быть по возможности синусоидальным для того, чтобы результирующее поле и кривая ЭДС нагруженной машины были синусоидальны.

Ток в фазных обмотках статора нагруженного синхронного генератора создает падения напряжений на индуктивном и активном сопротивлениях обмоток. Индуктивное сопротивление фазной обмотки статора определяется потокосцеплением рассеяния и магнитным потоком реакции якоря.

Индуктивное сопротивление рассеяния фазной обмотки статора определяется потокосцеплением рассеяния статора ψ_рас. Это потокосцепление, как и в асинхронной машине, есть часть потокосцепления фазной обмотки статора, определяемая магнитными линиями, замыкающимися помимо ротора поперек пазов, по коронкам зубцов и вокруг лобовых частей обмотки статора (см. рис. 14.13). Линии поля рассеяния проходят значительную часть пути в воздухе. Поэтому можно считать, что потокосцепление рассеяния пропорционально току статора и совпадает с ним по фазе. Потокосцепление рассеяния, индуктирует в фазной обмотке статора ЭДС рассеяния Е_рас, отстающую по фазе от этого потокосцепления на 90°. Можно выразить напряжение, уравновешивающее ЭДС рассеяния, через ток статора I и индуктивное сопротивление рассеяния х_рас(2.33):



Падение напряжения на индуктивности рассеяния в синхронных машинах составляет при номинальной нагрузке 10—15 и даже до 20 % номинального фазного напряжения. Значительное индуктивное сопротивление рассеяния, обусловливающее это падение напряжения, полезно, так как в случаях коротких замыканий между выходными выводами генератора оно ограничивает ток. Активное сопротивление фазной обмотки статора весьма мало. Обычно падение напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки при номинальной нагрузке составляет для больших генераторов 1—2 % номинального фазного напряжения. В большинстве расчетов им можно поэтому пренебречь; мы будем учитывать его лишь в некоторых случаях.

Как уже упоминалось, на ЭДС фазы синхронной машины влияет реакция якоря. Физически в синхронной машине существует лишь одно результирующее магнитное поле, складывающееся из магнитного поля ротора, магнитного поля рассеяния статора и магнитного поля реакции якоря. Но целесообразно рассматривать эти магнитные поля как существующие независимо друг от друга, создающие с фазной обмоткой статора независимые потокосцепления и индуктирующие в ней соответствующие ЭДС. Таким образом, в нагруженном синхронном генераторе потокосцепление ротора ψ_oиндуктирует в фазной обмотке статора ЭДС Е_о, равную ЭДС холостого хода, потокосцепление рассеяния ψ_рас индуктирует ЭДС Е_рас и, наконец, потокосцепление реакции якоря ψ_р,я индуктирует в обмотке статора некоторую ЭДС Е_р, я. Наиболее простые соотношения мы получим, если не будем учитывать влияния гистерезиса и насыщения магнитопровода на потокосцепление якоря (статора) и, следовательно, примем в этом случае, что потокосцепление якоря пропорционально току якоря I и совпадает с ним по фазе. В действительности это вполне справедливо лишь для ненасыщенного магнитопровода синхронной машины. При этом можно выразить ЭДС реакции якоря Е_р,_я так же, как ЭДС рассеяния Е_рас, т. е. через ток I и некоторое индуктивное сопротивление х_я, и считать, что:



Напряжение jx_яiпредставляет собой то напряжение, которое нужно для преодоления ЭДС реакции якоря.

При таком истолковании процессов ЭДС Ё_о, индуктируемая в фазной обмотке потокосцеплением W_o, равна сумме напряжений jx_расiи jx_яjна индуктивных сопротивлениях х_рас и х_яфазной обмотки, напряжения r_вiна активном сопротивлении витков фазной обмотки и напряжения между выводами фазной обмотки синхронного генератора О. Следовательно, уравнение электрического состояния фазы статора синхронного генератора есть:



где х_рас+ х_я = х — индуктивное сопротивление фазной обмотки статора, называемое синхронным реактивным (индуктивным) сопротивлением. У синхронной машины с ненасыщенным магнитопроводом это — относительно постоянная величина.
15.6. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И УПРОЩЕННАЯ ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ФАЗЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Уравнению электрического состояния фазы статора синхронного генератора (15.3) соответствует схема замещения на рис. 15.4, а.

Построим теперь векторную диаграмму фазы синхронного генератора. Для этого выберем в качестве исходного вектор основного магнитного потокосцепления ψ₀, который направим влево по оси абсцисс (рис. 15.4, б). Вектор ЭДС E₀, индуктируемой потокосцеплением ψ₀, отстает от вектора ψ_о на 90°. Вектор тока статора (якоря) I отстает от Е_она угол φ₀, определяемый соотношением реактивных и активных сопротивлений:



где х_яи r_н — индуктивное и активное сопротивления цепи нагрузки генератора. Вектор напряжения r_вi совпадает по направлению с вектором тока i, а вектор напряжения jxİ опережает этот вектор на 90°. Чтобы определить положение вектора напряжения Uмежду выводами фазной обмотки генератора, вычтем из вектора Ė_осумму векторов напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, фазной обмотки: U = Е_о— jxİ — rİ. Соединив концы векторов Ė_ои U, получим треугольник напряжений на активном и индуктивном сопротивлениях фазы генератора с гипотенузой Z_o6I.

Отметим, что для наглядности диаграммы мы преувеличиваем значение вектора напряжения ri.
15.7. НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ И КПД СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Энергетический баланс синхронного генератора можно пояснить с помощью его векторной диаграммы (рис. 15.4, б). Вектор Ė_ои его составляющие проектируем на направление вектора тока i; тогда активная составляющая ЭДС



Это уравнение умножим на действующее значение тока I и таким путем преобразуем (15.5) в уравнение электрической мощности для одной фазы генератора:



Оно показывает, что электрическая мощность статора Р_эс складывается из мощности потерь в проводах якоря Р_пр и электрической мощности Р, с которой генератор отдает энергию в сеть. Но помимо мощности потерь в проводах в генераторе имеют место еще и мощность механических потерь Р_мп и мощность потерь на гистерезис и вихревые токи в электротехнической стали Р_с статора и полюсных башмаков. Из уравнения (15.6) видно, что мощность этих потерь покрывается не за счет электрической мощности, а непосредственно за счет механической мощности первичного двигателя. Соответствующая энергетическая диаграмма синхронного генератора показана на рис. 15.5. Кроме того, в синхронном гене­раторе имеют место потери энергии на возбуждение. Мощность потерь на возбуждение генератора равна мощности возбудителя постоянного тока Р_воз. Мощность возбудителя составляет примерно 0,3—1 % номинальной мощности для больших генераторов. Мощность всех потерь энер­гии в генераторе делится на мощность постоянных потерь, почти не зависящую от нагрузки, и мощность переменных потерь, изменяющуюся в зависимости от нагрузки. Мощность постоянных потерь Р_пос равна сумме мощностей потерь механических, возбуждения и в электротехнической стали; мощность переменных потерь Р_пер равна мощности потерь в проводах.

Электрическая мощность генератора, выраженная через фазные напряжения и ток, Р = 3UIcos φ, при одном и том же токе зависит от cos φ нагрузки. Но сечения проводников обмоток генератора рассчитываются на определенное значение тока, а его изоляция и сечение магнитной цепи — на определенное напряжение U; следовательно, эти величины выбираются независимо от cos φ нагрузки. По этой причине подобно трансформаторам номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S = UI, измеряемая в киловольт-амперах. Было бы нецелесообразно соединять генератор с турбиной, рассчитанной на его полную мощность S(деленную на его КПД), так как почти всегда cos φ < 1. Поэтому турбина к генератору обычно имеет несколько меньшую мощность, чем полная мощность генератора (например, из расчета cos φ = 0,8).

Мощность генератора пропорциональна его объему, поэтому с увеличением номинальной мощности генератора уменьшается поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу мощности, вследствие чего приходится создавать усиленное охлаждение искусственным путем посредством вентиляции машины. В крупных турбогенераторах количество воздуха, необходимого для вентиляции, весьма велико. В час для охлаждения машины требуется примерно столько воздуха, сколько весит сама машина.

Для генераторов мощностью более 25 000 кВ-А обычно применяется водородное охлаждение. Преимущества такого охлаждения определяются тем, что водород легче воздуха в 14 раз, его теплоемкость больше в 14 раз, теплопроводность — в 7 раз, а коэффициент теплоотдачи водородом с охлаждаемой поверхности — в 1,35 раза.

Коэффициент полезного действия генератора равен отношению мощности генератора, включенного в сеть, к мощности первичного двигателя; последнюю удобно представить как сумму мощности генератора и мощности всех видов потерь в машине; следовательно,



Уравнение КПД показывает, что с уменьшением нагрузки КПД также уменьшается. На рис. 15.6 приведены графики зависимости КПД генератора от нагрузки при различных значениях cos φ. С увеличением номинальной мощности генераторов возрастают КПД как самого генератора, так и его первичного двигателя.