ответы на вопросы синхронные машины. Устройство и принцип действия синхронной машины
 Скачать 1.44 Mb.
|
|
Устройство и принцип действия синхронной машины Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором. Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса , цилиндрического сердечника , набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки, уложенной в пазы сердечника. Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения, которая через специальные контактные кольца питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем. Магнитное поле синхронной машины на холостом ходу При холостом ходе магнитное поле создается током, протекающим по обмотке возбуждения. Наибольший интерес представляет магнитное поле в воздушном зазоре, так как от характера распределения этого поля зависит форма ЭДС обмотки статора. Картина магнитного поля в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины представлена на рис. Кривая распределения радиальной составляющей индукции поля в воздушном зазоре имеет уплощенный характер. Для характеристики поля вводится понятие коэффициента формы поля , представляющего отношение амплитуды основной гармоники к индукции поля на оси полюса , Коэффициент формы поля является сложной функцией геометрических размеров магнитной цепи на участке воздушного зазора: Эта зависимость может быть получена на основе расчета магнитного поля при холостом ходе. При проектировании синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы кривая распределения индукции приближалась к синусоиде. Для этого ширину полюсного наконечника принимают в пределах и выполняют скос полюсных наконечников на краях, чтобы . При этих условиях распределение поля в зазоре приближается к синусоидальному, и высшие гармоники ЭДС, наводимой полем в обмотке статора, относительно малы. Кроме того, их дополнительно уменьшают соответствующим укорочением шага и распределением обмотки. Поэтому классическая теория синхронных машин оперирует с первыми гармониками индукции магнитного поля и ЭДС обмотки статора. В неявнополюсных синхронных машинах воздушный зазор равномерный. Поэтому синусоидальное распределение поля может быть получено за счет соответствующего распределения МДС обмотки возбуждения. МДС, образуемая этой обмоткой, имеет вид ступенчатой кривой, приближающейся по форме к трапеции (рис. 5.4). При равномерном зазоре можно считать, что кривая индукции повторяет кривую МДС. Магнитное поле и параметры обмотки возбужденияЯвнополюсная машина. Обмотка возбуждения создает магнитный поток возбуждения синхронной машины (рис. 32-1), который сцепляется с обмоткой якоря и индуктирует в ней э. д. с. Расчет магнитной цепи явнополюсной синхронной машины производится подобно расчету магнитной цепи машины постоянного тока. Подробности этого расчета рассматриваются в пособиях по проектированию, электрических машин. Магнитная характеристика Ф = / (if) синхронной машины имеет такой же вид, как и у других электрических машин. Ниже рассмотрим особенности магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения, и индуктивности этой обмотки. Величины, относящиеся к обмотке возбуждения синхронной машины, будем обозначать индексом /, как это принято в большинстве литературных источников. Н  а рис. 32-2, а изображена картина магнитного поля обмотки возбуждения в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины на протяжении одного полюсного деления. На рис. 32-2, б кривая / представляет собой распределение магнитной индукции поля возбуждения Bf на поверхности якоря (статора). Как уже указывалось, при проектировании синхронных машин принимаются меры к'тому, чтобы эта кривая по возможности приближалась к синусоиде. Однако вполне синусоидального распределения Bf достичь невозможно и поле возбуждения (кривая 1 на рис. 32-2Г б) можно разложить на основную (кривая 2) и высшие гармоники, которые индуктируют в обмотке якоря соответственно основную и высшие гармоники э. д. с. Высшие гармоники э. д. с. относительно малы, так как малы соответствующие гармоники поля и, кроме того, выбором шага и числа пазов на полюс и фазу обмотки якоря достигается уменьшение высших гармоник э. д. с. Поэтому в теории синхронных машин учитывается только основная гармоника э. д. с. якоря и соответственно потоком взаимной индукции между индуктором и якорем считается основная гармоника поля возбуждения (кривая 2 на рис. 32-2, 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 рабрты. Индуктор (ротор) явнополюсной машины имеет магнитную несимметрию, так как ввиду наличия 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. Реакция якоря 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. Блон-делем 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. Поперечная реакция якоря При установке щеток на геометрической нейтрали /—1 (рис. 5-1, б) поле якоря направлено поперек оси полюсов, и в этом случае оно называется полем поперечной ре.акции якоря. Как следует из рис. 5-2, поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе — в обратную сторону. Если условно, как это иногда делается, рассматривать линии магнитной индукции в качестве упругих нитей, то возникновение электромагнитного момента можно рассматривать как результат действия упругих сил этих нитей, стремящихся сократиться и повернуть якорь. Из рис. 5-2 видно, что при такой трактовке явлений направления действия моментов совпадают с реальными как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Под воздействием поперечной реакции якоря нейтральная линия на поверхности якоря, на которой 5 = 0, поворачивается из положения геометрической нейтрали /—/ на некоторый угол р в положение 2—2 (рис. 5-2), которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе — в обратную сторону. Из рис. 5-1, б следует, что при вращении якоря в проводниках, показанных в левой части рис. 5-1, б, поле поперечной реакции Рис. 5-1. Магнитное поле индуктора (а) и якоря (б)   5,2  5,3Из рис. 5-1, б следует, что при вращении якоря в проводниках, показанных в левой части рис. 5-1, б, поле поперечной реакции Рис. 5-2. Результирующее магнитное поле при установке щеток на геометрической нейтрали Рис. 5-3. Поле продольной реакции якоря Продольная реакция якоря Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на 90° эл. (рис. 5-3), то поле якоря действует вдоль оси полюсов и называется полем продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока в якоре оказывает на поле полюсов намагничивающее или размагничивающее действие, и в результате его взаимодействия с полем полюсов электромагнитный момент не возникает. Индуктируемая при вращении якоря э. д. с. на щетках будет в этом случае также равна нулю. Общий случай реакции якоря. Обычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Однако в результате неточной установки щеток, а также сознательных действий персонала щетки могут быть сдвинуты с геометрической нейтрали на некоторый угол а (рис. 5-4, а), причем 0 < а < 90° эл. В таком общем случае поверхность якоря на протяжении двойного полюсного деления можно разбить на две пары симметричных секторов: 1) аб и гв, 2) аг и бе. Токи первой пары секторов (рис. 5-4, б) создают поле поперечной реакции якоря, а токи второй пары (рис. 5-4, в) — поле продольной реакции якоря.  рис 5,4Указанные на рис. 5-4, а полярности полюсов и направления токов якоря соответствуют вращению якоря в режиме генератора (Г) по часовой стрелке, а в режиме двигателя (Д) — против часовой стрелки. Как следует из рис. 5-4, при повороте щеток генератора в направлении вращения и щеток двигателя против направления вращения возникает размагничивающая продольная реакция якоря, вызывающая уменьшение потока полюсов. При сдвиге щеток в обратном направлении возникает намагничивающая продольная реакция якоря, вызывающая увеличение потока полюсов. Векторная диаграмма напряжений синхронного генератора на холостом ходу Характеристика холостого хода Рабочая точка A на характеристике холостого хода (рис.3.14) располагается на участке перегиба характеристики. Характеристика (1) совпадает с ненасыщенным участком характеристики холостого хода и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи машины. Под коэффициентом насыщения магнитной цепи  понимают отношение суммарной МДС (отрезок ВА) к МДС воздушного зазора (отрезок BC). Для синхронных машин общего назначения   Выбор рабочей точки в области насыщения  приводит к резкому увеличению тока возбуждения. Обмотка возбуждения становится громоздкой. Выбор рабочей точки на линейной части  приводит к недоиспользованию магнитных материалов машины, увеличивает их расход.Векторная диаграмма напряжений синхронного генератора на Активной нагрузке Д  ля положения, которое занимает вращающийся ротор, ЭДС фазы А максимальна. Так как угол  , то ток фазы А также максимален  , а в остальных фазах  (рис.3.5).Направления ЭДС и токов нетрудно установить по правилу правой руки и обозначить крестиками и точками. При этих направлениях токов ось магнитного поля реакции якоря направлена по поперечной оси q. Направление поля реакции якоря для угла сохраняется для любого положения вращающегося ротора, т.к. ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно.Векторная диаграмма напряжений синхронного генератора на Индуктивной нагрузке.  В случае индуктивной нагрузки угол между ЭДС обмотки якоря  и током  равен 90 эл. град. (рис.3.6).Это означает, что максимум тока в фазе А наступит по сравнению с предыдущим случаем на четверть периода позднее, когда ротор повернется на  по часовой стрелке. При отстающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является размагничивающей (продольная размагничивающая реакция якоря).Векторная диаграмма напряжений синхронного генератора на емкостной нагрузке.  В случае емкостной нагрузки угол сдвига Y между ЭДС обмотки якоря и током равен –90 эл. град. (рис.3.7). Это означает, что максимум тока в фазе A наступит по сравнению со случаем рис.3.5 на четверть периода раньше. При опережающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является намагничивающей (продольная намагничивающая реакция якоря). Векторная диаграмма напряжений синхронного генератора при смешанной нагрузке К  огда  и  ток можно разложить на две составляющие (рис.3.8)  ,  где  - продольная и поперечная составляющие тока якоря.Характеристика трехфазного короткого замыкания Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря (  ), то уравнение напряжения в режиме короткого замыкания имеет вид Рис3.15  где  .Вследствие малости величины падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния фазы обмотки якоря  следует, что ЭДС  от результирующего магнитного потока индуктируется магнитным потоком такой малой величины, что магнитная цепь не насыщена и характеристика имеет линейный характер (рис.3.15).Отношение короткого замыкания О  тношением короткого замыкания ОКЗ называется отношение установившегося тока трехфазного короткого замыкания  при токе возбуждения  , который при холостом ходе создает E=Uн, к номинальному току якоря Iн (рис.3.16) .Величина ОКЗ у явнополюсных генераторов составляет  , у неявнополюсных -  , и определяет предельное значение нагрузки, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы.В |
при 
при 
нешние характеристики
при 
, но 
и его малая величина вызывает слабое размагничивающее действие. При опережающем токе (3) существует продольная намагничивающая реакция якоря.
- изменение напряжения на клеммах обмотки якоря генератора от величины нагрузки. При 
(инд.) 
егулировочные характеристики
при 
, 
, 
при 
, 
, 
Она показывает, как изменяется напряжение генератора Uс изменением тока возбуждения 
при условии постоянства тока нагрузки I и 
(рис.3.19).