Электротехника и электроника СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Общие сведения о синхронных машинах n Синхронные машины являются машинами переменного тока. n Синхронные машины применяют в качестве генераторов и двигателей. n В синхронных машинах при установившемся режиме работы ротор и магнитное поле статора вращаются с одинаковой скоростью. n Синхронные машины являются обратимыми машинами, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Синхронные генераторы n Синхронные генераторы установлены почти на всех электростанциях и служат основным источником электрической энергии для промышленных сетей энергоснабжения. n Синхронные генераторы получают механическую мощность и приводятся во вращение гидравлическими, паровыми, газовыми турбинами или, при меньшей мощности, — дизелями и двигателями внутреннего сгорания. n Синхронные генераторы служат также источником автономного электроснабжения на транспорте, на передвижных электростанциях, на строительных машинах и другой технике.
Синхронные двигатели n Синхронные двигатели применяют там, где требуется постоянство частоты вращения. n Они находят широкое применение в качестве привода прокатных станов на металлургических заводах, компрессоров и насосов на газо - и нефтеперекачивающих станциях магистральных газопроводов, в промышленности строительных материалов. n Специальные синхронные двигатели малой мощности используются в устройствах с программным управлением, самопишущих приборах и др.
Синхронные компенсаторы n Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их способность работать при токе, опережающим по фазе питающее напряжение. n Такие двигатели называются синхронными компенсаторами и используются для улучшения параметров, в частности cos φ, электрических сетей.
Устройство синхронной машины n Синхронные машины независимо от назначения и их использования состоят из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. n Ротор и статор разделены воздушным зазором.
Статор синхронной машины n Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя и содержит шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых располагаются фазы трехфазной обмотки статора. n Концы обмотки статора выведены на клеммную панель.
Общий вид статора синхронной машины
Ротор синхронной машины n Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который образует магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. n На роторе располагается обмотка возбуждения, концы которой через специальные кольца на роторе и неподвижные графитовые щетки подсоединены к источнику постоянного тока, называемому возбудителем.
Типы роторов синхронной машины Роторы синхронной машины бывают двух типов: n с явно выраженными полюсами; n с неявно выраженными полюсами.
Устройство явнополюсного ротора
Роторы с явно выраженными полюсами n Роторы с явно выраженными полюсами применяются в сравнительно тихоходных машинах, число оборотов которых не превышает 1000 об/мин. n Такие роторы, например, приводятся в действие тихоходными водяными турбинами ГЭС. n На полюсах такого ротора размещаются катушки обмотки возбуждения. n У синхронных двигателей с таким ротором витки пусковой короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» закладываются в тело полюсов и по торцам замыкаются кольцами.
Ротор с неявно выраженными полюсами n Ротор с неявно выраженными полюсами обладает повышенной динамической прочностью, так как выполняется из цельной стальной поковки цилиндрической формы. n На внешней поверхности поковки фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.
Общий вид неявнополюсного ротора
Особенности синхронных машин Синхронные машины проектируют и изготавливают так, чтобы количество полюсов магнитного поля ротора и поля, создаваемого обмоткой статора, было одинаковым.
Поперечное сечение явнополюсного и неявнополюсного ротора с обмоткой возбуждения
Условные обозначения на схемах неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронной машины
Принцип действия синхронных машин Принцип действия генератора
Работа машины генератором На обмотку ротора подается постоянный ток от возбудителя. Образуется постоянное магнитное поле ротора с полюсами N 0 и S 0.
Работа машины генератором n Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения приводится во вращение с постоянной частотой n 0 приводным двигателе ПД, создающим вращающий момент Мп. дв. n При этом вращающееся магнитное поле ротора поочередно пересекает проводники фазных обмоток статора А - X, В - Y, C - Z и по закону электромагнитной индукции наводит в них переменные ЭДС.
ЭДС фазы n Наведенная ЭДС в одном проводнике фазы e=Blv, n где В - магнитная индукция в воздушном зазоре; n l - активная длина проводника в пазу статора; n v — линейная скорость пересечения проводника магнитным полем.
Закон изменения ЭДС n Индукция В в воздушном зазоре распределяется по синусоидальному закону В = Вт sin α, где α = ωt - угол, отсчитываемый от нейтральной линии при вращении ротора с угловой частотой ω. n ЭДС, наводимая в одном проводнике, также будет изменяться по синусоидальному закону: е = Blv = Bml v sin α = Вт lv sin ωt = Ет sin ωt.
Действующее значение ЭДС n n Если в каждой фазе обмотки статора имеется w витков, то действующее значение ЭДС фазы определяется выражением: E = 4, 44 kfw Фоm , где k — обмоточный коэффициент; f= pn 0 / 60 — частота наведенных синусоидальных ЭДС; р - число пар полюсов ротора; Фот амплитудное значение магнитного потока полюса ротора.
ЭДС фаз
Схема расположения фаз обмотки статора и диаграмма наведенных ЭДС
Переход генератора в режим работы с нагрузкой n При переходе генератора в режим работы с нагрузкой сопротивлением ZH по фазам обмотки статора потекут токи, которые создадут вращающееся магнитное поле статора. n Ось полюсов статора N - S будет отставать от оси полюсов No — S 0 первичного магнитного поля ротора на угол рассогласования θ. n. В результате взаимодействия разноименных отстающих полюсов статора и опережающих полюсов ротора на ротор будет действовать момент, направленный против его вращения, т. е. тормозной момент МТ. В установившемся режиме тормозной момент уравновешивает вращающий момент приводного двигателя: МТ = МП. ДВ.
Взаимодействие магнитных полей в генераторе
Принцип действия двигателя n Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных магнитных полюсов двух магнитных полей статора и ротора. n Вращающееся магнитное поле статора с полюсами N и S образуется при питании фаз обмотки статора тремя токами от трехфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя.
Взаимодействие магнитных полей в двигателе n Если на ротор не действует никакая нагрузка, т. е. момент сопротивлений на роторе Мс = 0, то оси магнитных полей статора и ротора совпадают.
Работа двигателя под нагрузкой n Если же двигатель работает под нагрузкой и на роторе имеется момент сопротивления Мс ≠ 0 от какого-либо механизма, то ось полюсов ротора сместится от оси полюсов статора в сторону отставания на какой-то угол θ. n Таким образом, магнитное поле статора как бы «ведет» за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие FT магнитных сил F удерживают поля ротора и статора и создают вращающий момент М, зависящий от угла рассогласования θ: М = 2 FТR = 2 FR sin θ , где R — радиус ротора.
Реакция якоря в синхронной машине 1. В синхронном генераторе основное магнитное поле и основной магнитный поток Ф создаются обмоткой ротора и если машина работает без нагрузки с отключенной обмоткой статора, то в ней имеется только одно магнитное поле ротора и Ф = Фо.
Реакция якоря в синхронной машине 2. Когда генератор работает под нагрузкой, то появляются токи в фазах обмотки статора. Эти токи создают свое магнитное поле статора, которое можно разделить на две составляющие. Магнитный поток одной части поля охватывает проводники фаз обмотки статора, лежащие в пазах сердечника, и замыкается по стали статора и воздушному зазору. На основное магнитное поле этот поток никакого влияния не оказывает и называется потоком рассеяния статора ФS.
Реакция якоря в синхронной машине 3. Магнитные силовые линии второй части поля статора замыкаются по стали статора, воздушному зазору и стали ротора. Естественно, что эта часть магнитного потока, называемого просто потоком статора Фя, будет накладываться и взаимодействовать с магнитным потоком поля ротора Фо.
Реакция якоря в синхронной машине 4. Явление, заключающееся во взаимодействии магнитных полей ротора и статора генератора — называется реакцией якоря. n Реакция якоря синхронного генератора сильно зависит от характера нагрузки, подключаемой к машине.
Реакция якоря в синхронной машине при активной нагрузке n При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС е. А фазы А —Х обмотки статора и ее ток i. A совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось т—т1 магнитного потока ротора Фо перпендикулярна оси n—n 1, катушки фазы А—Х. В этом случае ось магнитного потока ротора Фо опережает ось потока статора Фя на электрический угол, равный 90°. n При этом результирующий магнитный поток машины ФРЕЗ = Фо + Фя (ось q - q 1) поворачивается относительно оси т—т1 потока ротора Ф на угол θ в направлении, противоположном направлению вращения ротора n 0.
Реакция якоря в синхронной машине при активной нагрузке
Реакция якоря в синхронной машине при индуктивной нагрузке n При чисто индуктивной нагрузке XL ток в фазе обмотки статора А—X отстает от ЭДС фазы на угол 90° и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора No повернется на 90° по направлению вращения п 0 от оси т—т1. n В этом случае магнитный поток статора Фя оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора Фо и размагничивает машину: ФРЕЗ = Фо - Фя
Реакция якоря в синхронной машине при индуктивной нагрузке
Реакция якоря в синхронной машине при емкостной нагрузке n При емкостной нагрузке генератора Хс ток в фазе А—Х статора опережает ЭДС фазы на 90° и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора No еще не доходит 90° до оси т— т1. n Магнитный поток статора Фя в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора Фо и усиливает намагничивание машины: ФРЕЗ = Фо + Фя.
Реакция якоря в синхронной машине при емкостной нагрузке
Потоки и ЭДС нагруженного синхронного генератора n В нагруженном синхронном генераторе существуют три магнитных потока: Фо - основной поток ротора, Фя - поток статора и ФS— поток рассеяния статора. n Эти магнитные потоки индуцируют в катушке фазы соответственно три ЭДС: Ео — от магнитного потока ротора, Ея — от потока статора и Es — от магнитного потока рассеяния. n Следует отметить, что ЭДС Ея и Es пропорциональны вызвавшему их току фазы статора I.
ЭДС в комплексной форме n где Хя и Xs - соответственно индуктивное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора.
Уравнение для фазной катушки статора n U- фазное напряжение статора; n Rф - активное сопротивление фазы статора.
Реактивное синхронное сопротивление n Сумму реактивных сопротивлений фазы называют реактивным синхронным сопротивлением ХСИН = Хя + Xs. n Обычно для фазы обмотки статора RФ < < ХСИН , поэтому падением напряжения на активном сопротивлении фазы можно пренебречь. n Тогда уравнение для фазы статора будет Ú = É0 – j. XСИН İ.
Схема замещения и векторная диаграмма фазы обмотки статора синхронного генератора
Пояснение к векторной диаграмме n Если нагрузка генератора активно-индуктивная, то вектор тока İ отстает по фазе от напряжения Ú на угол φ, а вектор индуктивного падения напряжения j. XСИН İ опережает вектор тока на угол 90°. Сумма векторов Ú и j. XСИН İ даёт вектор ЭДС É 0. n Угол θ между векторами Ú и É0 называется углом нагрузки, а угол между векторами É0 и İ обозначается ψ1.
Характеристики синхронного генератора n Характеристика холостого хода n Внешняя характеристика n Регулировочная характеристика
Характеристика холостого хода n Характеристика холостого хода зависимость ЭДС генератора (фазы) E 0 от тока возбуждения ротора IВ при токе фазы статора I = 0 и частоте вращения ротора n. Q = const (что равносильно I = const).
Внешняя характеристика синхронного генератора n Внешней характеристикой называется зависимость напряжения фазы обмотки статора U oт тока статора I, т. е. U=f(I), при IВ = const, f = const и коэффициенте мощности cos φ = const или φ = const. n Обычно выбирают такое значение тока возбуждения, чтобы при номинальном токе статора I ном напряжение также было номинальным U ном.
Регулировочная характеристика синхронного генератора n Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения ротора при изменении тока нагрузки генератора, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным, т. е. IВ =f(I) при U= const, cos φ = const или φ = const и f (или n) = const.
Пуск в ход синхронного двигателя n Распространение получил так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления такого пуска на роторе располагается специальная пусковая обмотка, представляющая собой короткозамкнутую обмотку типа беличьей клетки как у ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя. n Витки этой обмотки располагаются в полюсах ротора.
Схема пуска в ход синхронного двигателя 1. Вначале обмотка постоянного тока ротора (обмотка возбуждения) замыкается на пусковой реостат Rn.
Пуск в ход синхронного двигателя 2. Затем подается трехфазное напряжение на обмотку статора, по ее фазам начинают проходить токи и создается вращающееся магнитное поле статора. 3. Синхронный двигатель за счет наличия пусковой обмотки трогается с места и начинает разгоняться как асинхронный двигатель.
Пуск в ход синхронного двигателя 4. Когда частота вращения ротора синхронного двигателя достигнет примерно 95 % синхронной частоты вращения поля статора n 0, пусковой реостат Rn отключают, а обмотку возбуждения ротора подключают к источнику постоянного напряжения UB.
Пуск в ход синхронного двигателя 5. По обмотке возбуждения идет постоянный ток, и на роторе образуются магнитные полюса. Так как в это время частота вращения магнитного поля статора незначительно превышает частоту вращения ротора, то разноименные магнитные полюса ротора и поля статора притягиваются к другу, а одноименные - отталкиваются.
Пуск в ход синхронного двигателя 6. В результате ротор получает некоторое ускорение и после нескольких качаний ротора его частота вращения сравнивается с частотой вращения поля статора и далее остается постоянной (говорят, что двигатель втянулся в синхронизм).
Схема замещения и векторная диаграмма фазы обмотки статора синхронного двигателя
Пояснения к векторной диаграмме n В двигателе ток фазы I протекает от действия фазного напряжения Uc, приложенного к обмотке статора от сети, и направлен навстречу ЭДС Ео, которая индуцируется магнитным полем ротора. n Трехфазная обмотка статора при подключении к ней питания создает вращающееся магнитное поле статора. Магнитный поток этого поля является потоком якоря и индуцирует в фазе обмотки статора ЭДС реакции якоря и рассеяния.
Уравнение для фазы обмотки статора двигателя n Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора двигателя, будет иметь следующий вид: Úc = É0 – j. XСИН İ. n Из данного уравнения следует, что противо -ЭДС Е 0 магнитного поля ротора и падение напряжения на индуктивном синхронном сопротивлении фазы уравновешивают напряжение сети Uc (предполагается, что активное сопротивление фазы мало).
Пояснения к векторной диаграмме n В результате приложенного к ротору момента сопротивления нагрузки Мс, ось магнитного потока ротора Ф 0 отстает на угол θ от оси результирующего магнитного потока ФРЕ 3. n Поэтому в двигательном режиме вектор ЭДС Ео отстает по фазе на угол θ от вектора напряжения сети Uc. n При построении векторной диаграммы двигателя вектор Úc принимается за исходный. Вектор тока İ отстает по фазе на 90° от вектора j. XСИН İ.
Характеристики синхронного двигателя n Угловая характеристика - зависимость между электромагнитным моментом синхронного двигателя М и углом рассогласования θ, т. е. М=f( θ). n U - образная характеристика зависимость тока статора от тока возбуждения ротора I = f (I В), когда момент на валу двигателя M = const.
Угловая характеристика синхронного двигателя
Векторные диаграммы для фазы обмотки статора синхронного двигателя при разных токах
U-образные характеристики синхронного двигателя
Скачать презентацию Электротехника и электроника СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Общие сведения
+ Синхронные машины (Дбч).ppt