Электрические машины конспект лекций

Рис. 12.4. Схемы возбуждения синхронной машины: 1 — обмотка якоря; 2 — ротор генератора; 3 — обмотка возбуждения, 4 — кольца; 5 — щетки; 6 — регулятор напряжения; 7 — возбудитель; 8 — выпрямитель; 9 — ротор возбудителя; 10 — обмотка якоря возбудителя; 11 — обмотка возбуждения возбудителя; 12 — подвозбудитель; 13 — обмотка возбуждения подвозбудителя

В современных синхронных генераторах начали применять так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 12.4, â). При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбу-

151

дителя через регулятор напряжения. При таком способе возбуждения в цепи, питающей обмотку возбуждения генератора, отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения.

В ряде случаев при рассмотрении работы синхронной машины для облегчения математического анализа не учитывают нелинейность кривой холостого хода, заменяя е¸ прямой линией. В качестве спрямленной характеристики принимают касательную к кривой холостого хода (прямая 1 на рис. 12.5) или прямую, проходящую через точку b, соответствующую рассматриваемо-

му режиму работы, например номинальному напряжению (прямая 2). Характеристика 1 соответствует работе машины при отсутствии насыщения; характеристика 2 учитывает некоторое среднее насыщенное состояние магнитной

цепи машины.

ве базисных единиц при построении характеристики холостого хода принимают номинальное напряжение Uíîì машины и ток возбуждения Iâ0, при котором ЭДС E 0 U íîì . Относительные значения ЭДС и тока возбуждения при этом запишутся следующим образом:

Характеристики холостого хода, построенные в относительных единицах для различных синхронных генераторов при одинаковых коэффициентах насыщения, совпадают. Поэтому характеристика холостого хода в относительных единицах может быть принята единой для всех генераторов; для каждого кон-

152

кретного генератора различие будет только в базисных единицах и коэффициентах насыщения.

ВОПРОСЫ

12.2.1. Почему при больших скоростях роторы синхронных машин делаются неявнополюсными?

а) для уменьшения потерь в стали ротора;

б) большие центробежные силы, действующие на полюсы явнополюсного ротора, не позволяют получить достаточ- но надежное крепление полюсов к ротору;

в) для упрощения конструкции обмотки возбуждения.

12.2.2.Почему в отличие от ротора асинхронной машины сердечник ротора синхронной машины делается сплошным, а не набирается из отдельных листов?

12.2.3.Какие существуют способы возбуждения синхронных машин?

12.2.4.Объясните назначение тиристорного преобразователя в системе самовозбуждения синхронного генератора.

12.2.5.Объясните устройство явнополюсных и неявнополюсных роторов.

12.2.6.Какие применяются способы крепления полюсов

âсинхронных явнополюсных машинах?

12.2.7.Чем обеспечивается неравномерный воздушный зазор в синхронной машине?

12.3.Принцип действия синхронного генератора

Если вращать ротор, по обмотке которого протекает постоянный ток, с помощью первичного двигателя (обычно паровой или гидравлической турбины), то вместе с ротором будет вращаться и магнитное поле, создаваемое роторной обмоткой. При пересечении этим полем проводников статорной обмотки в последней, в соответствии с законом электромагнитной индукции, будет индуктироваться переменная электродвижущая сила. Частота этой ЭДС

153

и полюсным наконечником явнополюсного ротора? а) одинакова;

б) под краями полюса больше, под серединой — меньше.

12.4. Холостой ход синхронного генератора

При холостом ходе генератора (т. е. при отсутствии тока в статорной обмотке) величина ЭДС одной фазы статорной обмотки определяется аналогично ЭДС статора асинхронной машины

154

Лекция 13

РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

13.1. Реакция якоря неявнополюсного синхронного генератора

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки статора подклю- чены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени друг относительно друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n1, равной частоте вращения ротора n2. Следовательно, магнитные потоки якоря Фà и возбуждения Фâ будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Фðåç при нагрузке будет создаваться суммарным действием магнитно-движу- щая сила (МДС) Fâ обмотки возбуждения и МДС Fà обмотки якоря. Однако в синхронной машине (в отличие от асинхронной) МДС обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе.

Воздействие МДС якоря на магнитное поле синхронной машины называют реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, то напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины МДС обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и т. д. Рассмотрим, как проявляется реакция якоря при двух основных конструктивных формах синхронных машин — неявно-полюсных и явнополюсных.

157

Реакция якоря в неявнополюсной машине. В этой машине величина воздушного зазора между статором и ротором по всей окружности остается неизменной, поэтому результирующий магнитный поток машины Фðåç и создаваемая им ЭДС E при любой нагрузке могут быть определены по характеристике холостого хода исходя из результирующей МДС Fðåç. Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Фðåç может быть существенно упрощен, так как от сложения указанных МДС можно перейти к непосредственному векторному сложению соответствующих потоков:

ðåç â à .

Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхронной машины при различных углах сдвига фаз между ЭДС E0 и током Ià в обмотке якоря. Этот угол определяется характером нагрузки, т. е. величинами сопротивлений r, xL è xC нагрузки.

Ïðè 0 (ðèñ. 13.1, à è 13.2, à) òîê â ôàçå ÀÕ достигает максимума в момент времени, когда оси полюсов N и S ротора совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармоник магнитных полей. Кривая распределения индукции Bà f x для двухполюсной машины будет смещена

относительно кривой индукции Bâ f x в пространстве на 90°,

т. е. поток якоря Фà действует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Фâ (поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называют продольной и обозначают буквами d-d; ось, проходящую между полюсами, называют поперечной и обозна- чают буквами q-q. Следовательно, при 0 поток якоря действует по поперечной оси машины, размагничивая одну половину каждого полюса и подмагничивая другую.

Кривая распределения результирующей индукции. Bðåç f x при этом сдвигается относительно кривой Bâ f x

против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на векторной диаграмме, т. е. век-

158

Рис. 13.1. Картины магнитных потоков в неявнополюсной машине при различ- ных углах нагрузки

òîð Ôà отстает от вектора Фâ на 90°. При этом модуль вектора результирующего потока

ðåç 2â 2à .

Ïðè 90 (ðèñ. 13.1, á è 13.2, á) òîê â ôàçå ÀÕ достигает максимума на четверть периода позднее момента, соответствующего максимуму ЭДС E0. За это время полюсы ротора переместятся на половину полюсного деления, вследствие чего кривая Bà f x сместится относительно кривой Bâ f x íà 180°.

При этом поток якоря Фà действует по продольной оси машины против потока возбуждения Фâ; результирующий поток ðåç â à сильно уменьшается, вследствие чего уменьшается и ЭДС якоря E. Таким образом, при 90 реакция якоря действует на машину размагничивающим образом.

Ïðè 90 (ðèñ. 13.1, â è 13.2, â) поток якоря также действует по продольной оси машины, но совпадает по направлению с потоком возбуждения, т. е. ðåç â à . Следовательно, при 90 реакция якоря действует на машину подмагничивающим образом, увеличивая ее результирующий поток Фðåç è ÝÄÑ E.

Выводы, полученные на основании рассмотренных трех случаев, можно распространить и на общий случай, когда90 90 . При этом характерным является то, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагничивает маши-

159

Рис. 13.2. Кривые распределения индукции в неявнополюсной машине и векторные диаграммы потоков и ЭДС при различных углах

ну, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагни- чивает ее.

ÝÄÑ E при работе генератора под нагрузкой можно рассматривать как сумму двух составляющих:

160