11 СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ 11 1 Устройство и принцип

11. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ 11. 1. Устройство и принцип работы синхронной машины 11. 1. 1. Как и все электрические машины, синхронная машина обратима и может широко использоваться в промышленности как генератор и двигатель преимущественно большой мощности. Синхронные машины относятся к классу машин трехфазного переменного тока. Частота вращения ротора синхронной машины равна частоте вращающегося магнитного поля, т. е. n 1 = п 2, S = 0.

Синхронная машина состоит из статора и ротора. Конструкция статора принципиально не отличается от конструкции статора асинхронного двигателя, т. е. в шихтованном сердечнике расположена трехфазная обмотка статора. Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит, обмотка которого питается от источника постоянного тока. Ротор синхронной машины бывает двух типов: • явнополюсный; 11. 1. 2.

• Явнополюсный ротор (рис. 1) используется большей частью в тихоходных синхронных машинах. Обмотка ротора присоединяется к контактным кольцам и с помощью щеток на нее подается постоянное напряжение. В машинах с большой скоростью вращения (турбогенераторах, газогенераторах) применяется неявнополюсный ротор. На следующем рисунке приведена схема неявнополюсного ротора с одной парой полюсов. В многополюсных роторах полюсы чередуются по кругу. Обмотка ротора

• 11. 1. 3. В генераторном режиме обмотка возбуждения включается на постоянное напряжение. Магнитное поле ротора вращается вместе с ротором и пересекает трехфазную обмотку статора. В фазах индуцируется ЭДС • где w — число витков; • k — обмоточный коэффициент. • Частота индуцированной ЭДС

• 11. 1. 4. В режиме двигателя, кроме постоянного напряжения, подаваемого на обмотку возбуждения, подается также трехфазное синусоидальное напряжение на обмотку статора. Обмотка возбуждает вращающееся магнитное поле, которое захватывает в синхронном вращении поле ротора и сам ротор. Иначе говоря, ротор вращается с частотой вращения магнитного поля

11. 2. Холостой ход синхронного генератора • 11. 2. 1. Холостой ход (или нерабочий режим) осуществляется при отключенной нагрузке. Ток статора в этом случае равен нулю. Ток возбуждения регулируется внешним источником в широких пределах. Характеристика нерабочего(холостого)ход а представляет собой магнитную характеристику системы и напоминает кривую намагничивания.

• 11. 2. 2. Форма ЭДС статорной обмотки зависит от формы магнитного потока в цепи статора. Специальной формой полюсных наконечников можно получить синусоидальную ЭДС статорной обмотки.

11. 3. Реакция якоря синхронной машины • 11. 3. 1. Та часть электрической машины, которая индуцирует ЭДС, называется якорем. Поэтому в синхронной машине якорем называется статор машины. Индуктором будем называть ротор синхронной машины. Реакцией якоря называется влияние магнитного потока якоря на поток индуктора.

• 11. 3. 2. В синхронном генераторе ток якоря (статора) возбуждает свое магнитное поле, которое зависит от нагрузки. От вида нагрузки зависит сдвиг фаз между током и ЭДС якоря. Нужно иметь в виду, что • - поток якоря всегда совпадает с направлением тока якоря; • - ЭДС якоря всегда отстает от потока на 90°; • - сдвиг фаз между ЭДС и током якоря зависит от вида нагрузки.

• Поэтому при активной нагрузке ЭДС и ток якоря совпадают по фазе, т. е. поток якоря отстает от потока возбуждения на 90°. В этом случае мы имеем поперечную реакцию якоря. При индуктивной нагрузке ток якоря отстает от ЭДС на 90°. Если ЭДС отстает на 90° от потока возбуждения, то поток якоря направлен навстречу потоку возбуждения. При индуктивной нагрузке в результате реакции якоря ослабевает поток возбуждения. При емкостной нагрузке потоки направлены в одну сторону, т. е. при емкостной нагрузке в результате реакции якоря усиливается поток возбуждения.

• 11. 3. 3. Таким образом, реакция якоря может: • быть поперечной (активная нагрузка); • ослаблять поле (индуктивная нагрузка); • усиливать поле (емкостная нагрузка).

11. 4. Электромагнитный момент и угловая характеристика машины • 11. 4. 1. Мощность, которая передается от индуктора машины к одной фазе якоря, называется электромагнитной мощностью. Как и в теории асинхронных машин, эта мощность • где М— электромагнитный момент синхронной машины. • Электромагнитная мощность отличается от активной мощности машины на величину потерь в обмотке якоря. В машинах средней и большой мощности потери в обмотке якоря по сравнению с активной мощностью незначительны, т. е. можно считать, что • где Р — активная мощность машины; т — количество фаз в обмотке якоря. • В таком случае можно определить электромагнитный момент синхронной машины

• 11. 4. 2. Если машина работает генератором, то электромагнитный момент противодействует вращению ротора, т. е. является тормозящим. • Поле якоря вращается синхронно с ротором. Но между осями полюсов поля якоря и индуктора есть некоторое угловое смещение. Этот угол называется углом рассогласования, или углом нагрузки. Можно доказать, что • где θmах — амплитуда момента, • θ — угол рассогласования.

• 11. 4. 3. Зависимость M=f(θ) называют угловой характеристикой машины. • Как правило, это синусоида, на которой • при 0 < θ < π, М > 0 — режим двигателя, • при 0 > θ > π; , М< 0 — режим генератора. • Устойчивый режим работы генератора отвечает углу рассогласования • а для двигателя

11. 5. Характеристики синхронных генераторов • 11. 5. 1. Характеристика нерабочего (холостого) хода уже рассматривалась. Она не зависит от реакции якоря, так как строится при отключенной нагрузке.

• 11. 5. 2. Внешняя характеристика генератора — это зависимость напряжения на нагрузке от тока якоря • когда п = const, Iв = const. Внешняя характеристика зависит от вида нагрузки.

• 11. 5. 3. Реакция якоря влияет также и на вид регулировочной характеристики. Регулиро-вочная характеристика — это зависимость тока возбуждения от тока якоря при постоянном напряжении на нагрузке, т. е. • при п - const U= const.

• 11. 6. U-образная характеристика синхронного генератора • 11. 6. 1. Если внешний момент на валу синхронного генератора не изменяется, то постоянной остается и активная мощность • Следовательно, если изменять ток возбуждения, то при постоянной мощности изменяются ток якоря и соsφ, т. е. током возбуждения можно регулировать коэффициент мощности.

• Зависимость тока якоря от тока возбуждения при постоянной активной мощности генератора называется U-образной характеристикой. На рис. приведены U-образные характеристики генератора с различной мощностью. Обычно минимальный ток устанавливается при соsφ=1. • При отрицательных значениях φ ток якоря ограничивается областью неустойчивой работы генератора. • При положительных значениях φ ток якоря ограничивается обычно магнитным насыщением

• 11. 7. Параллельная работа синхронных генераторов • 11. 7. 1. Обычно синхронные генераторы используют как основной источник энергии, поэтому они не работают автономно. Несколько генераторов включают на параллельную работу в системах электроснабжения. На современных самолетах в параллельную работу включают от двух до пяти генераторов.

• 11. 7. 2. Для включения синхронных генераторов в параллельную работу нужно выполнить три условия: • ЭДС синхронных генераторов должна быть равна напряжению сети; частота ЭДС генератора должна быть равна частоте тока сети; необходимо, чтобы ЭДС генератора и напряжение сети совпадали по фазе. • При этом чередование фаз генератора должно совпадать с чередованием фаз в сети.

• 11. 7. 3. Три условия включения генераторов в параллельную работу выполняют следующим образом: • ЭДС генератора изменяют с помощью тока возбуждения; • частоту генератора изменяют регулированием оборотов приводного • двигателя; • изменение фазы ЭДС осуществляют изменением скорости вращения в пределах одного оборота. После включения генератора в сеть скорость вращения ротора поддерживается постоянной по отношению к частоте тока в сети.

11. 8. Потери и КПД синхронной машины • 11. 8. 1. Потери в синхронной машине делят на две группы: • постоянные; • переменные (зависящие от нагрузки). • 11. 8. 2. К постоянным потерям, которые не зависят от тока якоря, относят: • потери в обмотке возбуждения; • потери в стали (в сердечнике статора); • потери механические. • К переменным потерям относят: • потери в меди; • дополнительные потери. • Дополнительные потери обусловлены зубцовыми колебаниями магнитного потока, вихревыми токами, которые индуцируются в различных частях машины и т.

• 11. 8. 3. КПД синхронной машины определяют: • для генератора • для двигателя • где — сумма всех потерь мощности, • I и U—действующие значения линейных тока и напряжения.

• 11. 8. 4. Поскольку переменные потери зависят от нагрузки, от нее же зависит и КПД. Максимум КПД отвечает нагрузке, несколько меньшей, чем номинальная. Обычно КПД синхронных машин средней мощности составляет 88. . . 95%; большой мощности — 96. . . 99%.

11. 9. Преимущества и недостатки синхронной машины • 11. 9. 1. Своеобразие синхронных машин определяет их преимущества и недостатки в сравнении с машинами других классов. Преимущества синхронных машин следующие: • высокие КПД и коэффициент мощности; • абсолютно жесткая механическая характеристика двигателя; • независимость частоты ЭДС генератора от нагрузки машины.

• 11. 9. 2. Однако синхронные машины имеют и недостатки, которые в ряде случаев ограничивают их использование: • сложная конструкция; • необходимость использования двух источников напряжения (переменного трехфазного и постоянного) для двигателя; • затруднения с пуском двигателя.