СМ 1 Синхронные машины Магнитные поля и

СМ 1 Синхронные машины Магнитные поля и векторные диаграммы Характеристики и режимы работы

Устройство и принцип действия синхронной машины СМ 2 Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б)1 1 частота ЭДС, Гц 60 частота вращения ротора, об/мин / — частота вращения поля статора, об/мин n p f n n f p n n

СМ 3 Устройство и принцип действия синхронной машины Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным (а) и вращающимся (б) якорем: 1 — якорь; 2 —обмотка якоря; 3 — полюсы индуктора; 4 — обмотка возбуждения Роторы синхронных неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) машин: 1 — сердечник ротора; 2 — обмотка возбуждения

СМ 4 Явнополюсные

СМ

СМ

СМ

СМ 8 Неявнополюсные

Системы возбуждения синхронных машин СМ 9 Требования к электромагнитному возбуждению 1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуждения в любых режимах работы, 2) быстродействие (форсировка возбуждения), применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварии или после её ликвидации, 3) быстрое гашение магнитного поля , т. е. уменьшение магнитного поля до нуля без значительного повышения напряжения на его обмотках, необходимость в гашении поля возникает при отключении или аварии в генераторе. Электромашинная система возбуждения : в качестве источника используется генератор постоянного тока (возбудитель). Pв=(0, 3÷ 3%)Рг Ток возбуждения регулируется с помощью реостатов в цепи возбуждения возбудителя, возбудитель приводится во вращение от вала генератора.

СМ 10 Системы возбуждения синхронных машин Вентильная система возбуждения : рассчитываются на большие мощности и являются более надежными. 1) С самовозбуждением – энергия возбуждения отбирается от обмотки якоря, преобразуется в энергию постоянного тока и подается на обмотку возбуждения. 2) Независимая система – энергия получается от специального возбудителя (трехфазный синхронный генератор). 3) Бесщеточная система – якорь возбудителя располагается на валу генератора и ток в обмотку возбуждения подаётся через выпрямительный блок на валу генератора.

СМ 11 Магнитное поле обмотки возбуждения синхронной машины. Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения Рис а) Неравномерный воздушный зазор Рис б): кривая 1 – Реально достижимое распределение магнитной индукции в воздушном зазоре; кривая 2 – Первая гармоника магнитной индукции.

СМ 12 Магнитное поле обмотки возбуждения 1 1 амплитуда первой гармонической индукции амплитуда действите коэффициент формы поля — коэффициент потока возбужден льного распределения поток, созданный обмоткой возбуждени ия я вfm fm fm ф f. B k B B B Ф k Ф Ф , ( ; ; ) воздушный зазор под краем полюса, воздушном зазоре поток первой гармоническо ный зазор под центром полюса полюсное деление, полюсная й этог дуга, относите о поля f p m f ф m p. Ф b k k f b льная полюсная дуга 1 2, 5 0, 65 0, 75 0, 95 1, 15, 0, 92. . . 1, 08 фm fk k

СМ 13 Магнитное поле обмотки возбуждения Рис а) Неявнополюсный ротор Рис б): Реально достижимое распределение магнитной индукции в воздушном зазоре и Первая гармоника магнитной индукции. 0, 65. . . 0, 80 1, 065. . . 0, 965, 0, 995. . . 0, 975. фfk k

СМ 14 ЭДС обмотки якоря от поля возбуждения 0 1 0 М. д. с. ОВ на один полюс, 2 число витков обмотки возбуждения ток обмотки возбуждения Амплитуда основной гармоники поля 2 магнитная проводимость воздушного f f f fm f f f w i F p w i w k B F k i k k p k k зазора, коэффициен воздушного зазора (учитывает неравномерность воздушного зазора, возникающую врезультате зубчатости сердечников) коэффициент насыщения магнитной цепи Поток основной гармоники поля ОВ k k 0 1 1 2 f fm f w kl Ф B l i k k p

СМ 15 ЭДС обмотки якоря от поля возбуждения 1 1 Потокосцепление потока с обмоткой якоря при совпадении оси фазы с осью полюсов машины число витков обмотки якоря обмоточный коэффициент обмотки якоря Потокосцепление ОЯ с ОВ с учетом f fadоб f об Ф w k 1 1 вращения ротора cos , где — взаимная индуктивность ОЯ с ОВ Э. д. с. обмотки якоря sin fadt fad fad f fadt fad ft M i d e M i t dt

СМ 16 Сопротивление взаимной индуктивности 1 1 1 Амплитуда и действующее значение ЭДС , 2 2 где сопротивление взаимной индукции ОВ с ОЯ 2 угловая электрическая скорость вращения ротора 2 m fad f fadm f fad fad E M i x. E E i x M f x. E M 1 fi

СМ 17 Характеристика холостого хода E=f(i f ) и зависимость взаимной индуктивности обмоток возбуждения и якоря от насыщения ( ) ЭДС без учета насыщения магнитной цепи ЭДС с учетом насыщения ; fad fad fad. M f E E k E E Е M x k k

СМ 18 При протекании по обмотке якоря синхронной машины тока она создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря. Характер реакции якоря определяется углом сдвига между током якоря и ЭДС в обмотке якоря. Магнитное поле обмотки якоря а) – Поперечная реакция якоря. б) – Продольная размагничивающая реакция якоря. с) – Продольная намагничивающая реакция якоря.

СМ 19 Разложение тока якоря на продольную и поперечную составляющую (метод двух реакций)1 1 Продольный ток sin Продольная реакция якоря 2 sin Поперечный ток cos Поперечная реакция якоря 2 cos q d d об ad a d q об aq a q I I I m w k F F I p & & &

СМ 20 Кривые поля реакции якоря явнополюсной синхронной машины по продольной (а) и поперечной (б) осям. Магнитные поля продольной и поперечной реакции якоря 1. — МДС реакции якоря. 2. — Магнитная индукция реакции якоря при равномерном зазоре. 3. -Действительные кривые индукции реакции якоря. 4. — Первые гармоники поля реакции якоря. 0 0 11 Магнитная индукция реакции якоря при равномерном зазоре ; Неравномерность зазора уменьшает основные гармоники реакции якоря 1; 1; adm ad aqm aq aqmadm ad aq aq ad adm aqm B F k k BB k k

СМ 21 Э. Д. С. продольной и поперечной реакции якоря max min 1 1 1 1 Коэффициенты формы поля реакции якоря ( ; ; ) Потоки реакции якоря 2 2 ЭДС реакции якоря 2 2 p ad aq ad adm aq aqm ad об ad aq об aq b k и k f Ф B l k B l E f w k Ф

СМ 22 Векторная диаграмма потоков и э. д. с. реакции якоря синхронной машины ad aq. E E & & f ad aq. Ф Ф & & 0 90 смешанная активно-индуктивная нагрузка p p

СМ 23 Параметры обмотки якоря синхронных машин 1 1 0 1 1 1 2 0 1 1 2 2 2 Индуктивные сопротивления продольной и поперечной реакции якоря ( ) 4 4 об ad d adm adоб ad ad ad d aq aq q об ad ad d aq m w k F I B F p k k Ф k B l E f w k Ф E x Iаналогично E x I l w k x mf k k k p x mf 2 0 1 1( ) Для неявнополюсной СМ: 1 Для явнополюсной СМ: Продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления обмотки якоря об aq q ad aq d ad ad d d q l w k k p k kи x x E E E x I E E f aq aq q q d ad ad q aq aq E x I x x x

СМ 24 Векторные диаграммы синхронных машин Векторная диаграмма явнополюсного генератора при активно-индуктивной нагрузке 0, Id 0, реакция якоря размагничивающая — угол нагрузки, угол между векторами ЭДС и напряжения Диаграмма Блонделя Явнополюсная машина 0 0 ad aq a a ad d aq q a a d q U E E Ir U E jx I r I I & & & &

СМ 25 Векторная диаграмма явнополюсного генератора при активно-емкостной нагрузке 0, Id 0, реакция якоря намагничивающая

СМ 260 Учитывая что d ad ad q aq aq d d q q ax x x U E jx I r I & & &

СМ 27 Неявнополюсная машина , ad aq d qx x

СМ 28 Диаграмма Потье (с учетом насыщения) Построение диаграммы неявнополюсного генератора с учетом насыщения: а – векторная диаграмма; б – характеристика холостого хода. Диаграмма Потье используется для определения тока возбуждения синхронной машины, требуемого для обеспечения заданного режима работы , , cosзаданы , , в a a. U I F F F E U I r jx & & &

СМ 29 Диаграмма неявнополюсного генератора, совмещенная с характеристикой холостого хода

СМ 30 Характеристика холостого хода Опыт холостого хода синхронного генератора: а – схема опыта; б – нормальная характеристика холостого хода. Характеристики синхронных генераторов. Нвff. Iif. U 0)(1 14, 44 об. U fw k. Ф F Ф R

СМ 31 Характеристика короткого замыкания В режиме короткого замыкания реакция якоря чисто размагничивающая (r a -мало), поток машины мал, следовательно, магнитная цепь ненасыщенна и характеристика короткого замыкания линейна. а – схема опыта; б – характеристика короткого замыкания; в – схема замещения; г – векторная диаграмма. г) в) a ad a d E E x I ( ) при к в. I f I n const

СМ 32 Характеристики холостого хода (кривая 1) и короткого замыкания (кривая 2) синхронного генератора Спрямленная характеристика ХХ (кривая 3) Изменение синхронного индуктивного Сопротивления по оси d (кривая 4) Опытное определение x d. Ненасыщенное значение Насыщенное значение ЭДС без учета насыщения магнитной цепи ЭДС с учетом насыщения d d d d x E x I x E E x x I k E k E E Е

СМ 33 Опытное определение отношения короткого замыкания (о. к. з. ) ОКЗ – отношение установившегося тока короткого замыкания I ко при токе возбуждения, который при ХХ и n=n н дает Е=U H к току номинальному I н. * * 0 — насыщенное продольное синхронное сопротивление при 1 ; Исходя из подобия ОАА и ОВВ = 0, 8 1, 8 гидрогенераторы 0, 4 1, 0 турбогенерат KO OКЗ Н Н KO d d Н d. Н OКЗ d. Нd d f OКЗ fк ОКЗI k I U I x x Е U k x I x x I k k оры

СМ 34 Нагрузочные характеристики синхронного генератора. Нагрузочные характеристики при , , cosf. U f I I const f const Нагрузочная характеристика при cos 0 называется (кривая 5)индукционной

СМ 35 Реактивный треугольник 1 – характеристика холостого хода 2 – индукционная нагрузочная характеристика — реактивный треугольник — падение напряжения в сопротивлении рассеяния якоря — м. д. с. реакции якоря — индуктивное сопротивление Потье 1, 1 1, 3 — явнополюсные 1, 05 1, 1 a a р н р a р СВА СВ x I СА F С В x I x x — неявнополюсныеa

СМ 36 Внешние характеристики синхронного генератора для U=U H при I=0 Внешние характеристики синхронных генераторов для U=U H при I=I HВнешние характеристики при , , cos. f. U f I i const n const %25 35 %HU

СМ 37 Регулировочные характеристики при , , cos. fi f I U const n const

38 Метод точной синхронизации Условия включения на параллельную работу 1. Равенство напряжений СГ и сети 2. Равенство частот напряжения СГ и сети 3. Одинаковое чередование фаз СГ и сети 4. Одинаковые фаза напряжений СГ и сети Метод самосинхронизации 5. Проверяется чередование фаз. 6. Разгоняется генератор до при 7. Обмотка якоря подключается к сети. 8. Подается питание на ОВ Схемы включения синхронных генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации а – на потухание света; б – на вращение света Параллельная работа синхронных машин Особенности параллельной работы СГ В энергосистеме параллельно работают несколько сотен машин, следовательно

СМ 39 Условные модели, иллюстрирующие взаимодействие полей синхронной машины : а – при холостом ходе; б – в генераторном режиме; в –в двигательном режиме Синхронные режимы параллельной работы Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной скорости вращения называются синхронными.

СМ 40 Энергетические диаграммы синхронного генератора (а) и двигателя (б) Энергетические диаграммы

СМ 41 Регулирование активной мощности При работе с сетью большой мощности U=const и f=const. Изменение активной мощности синхронной машины, возможно только при изменении механической мощности на ее валу. (в) – генераторный режим (г) – двигательный режим угол нагрузки 0 1 0 0 0 1 сдвинется в сторону вращения на отстает от на 90 90 cos 0 отдаем активную мощность в сеть Аналогично для f f н c c d эм I I E U n n E U U U E I j x I U P m. E I n n f & & & &p f p

СМ 42 Регулирование реактивной мощности U=const и f=const Векторные диаграммы (а) и (б) – изменение реактивной мощности при изменении тока возбуждения для P=0. При синхронная машина считается перевозбужденной, а при – недовозбужденной. Перевозбужденная машина эквивалентна емкости, а недовозбужденная индуктивности. Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным компенсатором. 0 0 , 0 Ток отстает от и на 90 sin 0 вырабатываем реактивную мощность Аналогично для f fн c d f fн I I E U U I I U E U I j x U E E I I I & & &f & & f f

СМ 43 Электромагнитная мощность СМ 2 2 1 1 1 0 0 cos активная мощность генератора cos 0 0, cos sin sin cos. ЭМ ЭЛ СТ ЭМ q q d d ЭМP m. UI P P P Р m. UI P Р если P то P m. UI из векторной диаграммы U I x U то I I x E U то I I x P m. UI 2 0 cos( ) sin 1 1 cos sin ( ) sin 2 2 1 1 sin ( ) sin 2 2 d q d ЭМ d q d m. UI m. UE m. UI x x x m. UE m. U P x x x

СМ 44 Угловая характеристика электромагнитного момента и активной мощности синхронного генератора Электромагнитный момент и угловые характеристикиsin ( ) sin 2 (0, 25 0, 3) / 0 ЭМ ОСН ДОП d q ДОП ОСН d q ДОП PР Р Р P x x PР н я СМ x x и Р 2 01 1 sin ( ) sin 2 2 ЭМ d q d m. UE m. U M x x x ЭМ P p P M 2 sin существует только в возбужденной СМ 1 1 не зависит 2 от возбуждения ОСН d ДОП q dp m. UE P x p m. U P x x

СМ 45 Картины магнитного поля невозбужденной синхронной машины Векторные диаграммы реактивной синхронной машины при работе на холостом ходу (а), в режиме генератора (б), и двигателя (в)Реактивные синхронные машины Явнополюсная синхронная машина не имеющая собственного источника поля возбуждения называется реактивной. Электромагнитный момент невозбужденной я внопоролюсной машины возникающий исключительно вследствие нер авномероности воздушного зазора ( ) называется d qx x реактивным

СМ 46 Синхронизирующая мощность, перегрузочная способность СМ 0 1 коэфф. sin перегрузочной способности — предельно возможная кратность перегрузки при весьма медленном увеличении внешнего момента (регламентируется ГОСТ). при проектирован m m П Н Н Н m f f m P М k Р M P E I I P ии d mx P 0 — устойчивая работа СГ (точка 1) 2 , Пусть вернется в точку 1 Пусть вернется в точ ку 1 неустойчивая работа СГ (точка 2) 2 эм п эм. M M M М M M p p f , Пусть выпадение из синхронизма Пусть вернется в точ ку 1 п эм эм п. M M M М p f

СМ 47 Синхронизирующая мощность2 0 1 1 cos ( ) cos 2 2 сн d q d m. UE m. U P x x x m. UE m. U M x x x Устойчивая работа 0 или — коэфф. синхронизирующей мощности аналогично коэфф. синхронизирующего момента Характеризуют способность машины держаться в синхронизме при сн сн сн PМ P P PР M М f той или иной нагрузке.

СМ 48 Угловая характеристика реактивной мощности 2 21 1 cos 2 2 2 d q d m. EU m. U Q x x x

СМ 49 Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора U – образные характеристики синхронной машины. U – образные характеристики( ), , , f c. НU f i U U const P const f f cos Примем 0, ‘ ‘ a a f f f P m. UI const x E U const i i I & && & 1 14, 44 реакция якоря Линия АВ граница устойчивости об f кр U f. W k. Ф Ф const i. Ф I :

СМ 50 Синхронные двигатели Достоинства Синхронные двигатели могут работать с cos =1, не потребляя реактивной мощности, а при перевозбуждении отдают реактивную мощность в сеть. При пониженном напряжении СД сохраняет большую нагрузочную способность, т. к. (в АД ) Вследствие большого зазора добавочные потери меньше, КПД выше, чем в АД Частота вращения синхронных двигателей определяется частотой питания и не зависит от нагрузки на валу. Недостатки Более сложная конструкция по сравнению с АД с КЗ ротором Необходимость в источнике возбуждения Большая стоимость Пуск и регулирование скорости вращения сложнее чем у АД

СМ 51 Векторная диаграмма перевозбужденного явнополюсного синхронного двигателя. Угловая характеристика электромагнитного момента и мощности синхронного двигателя Синхронные двигателиcos 0 потребляемая из сети активная мощность a q q d d. E U r I jx I P m. UI & & & f

СМ 52 Применение синхронного компенсатора для повышения коэффициента мощности Характеристики синхронных двигателей U образные характеристики СД Зависимость — ток в сети при отсутствии компенсатора — ток в сети при вклюсении компенсатора cos (при работе с опережающим током при перевозбуждении) СК может работать как в z к c c zк c z I I I & & &f режиме перевозбуждения, так и недовозбуждения

СМ 53 Рабочие характеристики синхронного двигателя. Характеристики синхронных двигателей 1 2, , , при 1) , 2) cosf. P I M f P I const 2 2 1 0 1 1 2 1 , при 0 (xx ) + , , cos ст мех P M const P P P I I P P I U

СМ 541. С помощью вспомогательного двигателя — ОВ включена в сеть, ОЯ разомкнута, разгонным двигателем (генераторный режим) — Подключение к сети, отсоединение двигателя, переход в двигательный режим 2. Частотный способ Подключение к автономному источнику с 3. Асинхронный Наличие пусковой обмотки -. ОВ не включена, ОЯ подключается в сеть -. В пусковой обмотке наведется ЭДС и ток, ротор придет во вращение с асинхронной скоростью -. ОВ подключается к источнику, машина втягивается в синхронизм. Внешний вид явнополюсного ротора. Способы пуска СД

При асинхронном пуске: — ОВ нельзя оставлять разомкнутой большое, следовательно наведется большое Е, — при замкнутой ОВ накоротко провал в механической характеристике (а) машина может застрять на промежуточной скорости. ОВ замыкают на СМ 55 Кривые вращающихся моментов синхронного двигателя при асинхронном пуске с замкнутой накоротко (а) и через сопротивление (б) обмоткой возбуждения. Способы пуска СДОВДRR)1510(

СМ 56 Внезапное К. З. Синхронного генератора Положение ротора в момент внезапного КЗ при Магнитные поля спустя ¼ периодаsinm m e E t e E 0, d ir dt d r const dt

СМ 57 Внезапное К. З. Синхронного генератора Магнитные поля СГ при внезапном КЗ для различных моментов времени -сверхпереходное индуктивное сопротивление ОС по продольной оси (сопротивление в начальный момент времени КЗ) -переходное индуктивное сопротивление ОС по продольной оси (сопротивление в следующий период переходного процесса) -сверхпереходное индуктивное сопротивление ОС по поперечной оси -переходное индуктивное сопротивление ОС по поперечной оси

СМ 58 Токи внезапного короткого замыкания: а) – ток в успокоительной обмотке; б) – составляющая тока в якоре; в) – ток в обмотке возбуждения; г) – составляющая этого тока в якоре; д) – установившийся ток короткого замыкания в якоре; е) – результирующий ток короткого замыкания в якоре. Внезапное К. З. Синхронного генератора/ sin cверхпереходной токdt T mi I e t / sinпереходной токdt T mi I e t sinустановившийся ток КЗmi I t Ki i

СМ 59 Ударный ток К. З. Ударным током короткого замыкания называют пиковое значение тока короткого замыкания. При отсутсвии затухания 2 По ГОСТ ударный ток к. з. определяется: 1, 05 1, 8 2 Например: 1, 8 1, 05 0, 1 18, 9 0, 12 m УД d Н УД d. УД Н E i x U i x i I