книги / Электропитание устройств связи

Г л а в а чет верт ая .

Синхронные машины

4.1. ПРИНЦИП д е й с т в и я и у с т р о й с т в о с и н х р о н н о г о

ГЕНЕРАТОРА

В настоящее время электрическая энергия переменного тока в основном вырабатывается с помощью трехфазных синхронных ге­ нераторов.

Принцип действия синхронного генератора основан на исполь­ зовании явления электромагнитной индукции. На рис. 4.1 показа­ на простейшая трехфазная обмотка, состоя­ щая из трех катушек, сдвинутых на 120°, и помещенная на роторе. Эти три катушки соединяются звездой или треугольником и подключаются к трем контактным кольцам, изолированным от вала машины и друг от друга. При вращении ротора в магнитном поле неподвижных полюсов в катушках ин­ дуцируются переменные во времени ЭДС, равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 2я/3. Частота / ЭДС, индуктируемой в обмотках якоря (якорем называется часть машины, в которой происходит процесс преобраз'ования энергии, т. е. индуцируется

Нагрузка подключается с помощью неподвижных щеток, ко­ торые накладываются на контактные кольца.

Синхронные генераторы выполняются с обмоткой якоря на ро­ торе только при сравнительно небольшой мощности (до 15 кВА) и невысокого напряжения (до 380/220 В).

Недостатком генераторов такой конструкции является наличие скользящего контакта в цепи большой мощности. Современные

73

синхронные генераторы изготовляются на высокое линейное напря­ жение до 16 кВ (иногда и выше), при котором изоляция контакт­ ных колец и щеток весьма сложна. Для устранения этого недос­ татка обмотка якоря помещается на неподвижной части (на ста­ торе), а полюсная система с обмоткой возбуждения — на вра­ щающейся части машины.

Обмотка возбуждения получает питание через контактные кольца. В этом случае скользящий контакт находится в цепи не­ большой мощности и напряжение в цепи обмотки возбуждения не­ велико (не более 500 В).

Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбуди­ теля, т. е. генератора постоянного тока параллельного возбужде­ ния, находящегося на одном валу с рабочей машиной. Мощность возбудителя составляет малую величину (1—5% мощности син­ хронной машины). При небольшой мощности широко использует­ ся питание обмоток возбуждения синхронных машин от обмоток якоря через выпрямители. За время запуска генератора с таким возбуждением при вращении ротора магнитные линии потока ос­ таточного намагничивания пересекают проводники обмотки якоря и индуцируют в них ЭДС. Вызванный этой ЭДС ток выпрямите­ лем преобразуется в постоянный и протекает через обмотку воз­ буждения. Вследствие этого магнитное иоле генератора и его воз­ буждение усиливаются до номинальных величин.

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины.

Взависимости от устройства ротора различают две конструк­ ции синхронных машин: с явно выраженными и с неявно выражен­ ными полюсами.

Вмашинах с относительно малой скоростью вращения роторы выполняются с явно выраженными полюсами. На роторе (рис.

4.2а) равномерно помещаются явно выраженные полюса, состоя­ щие из полюсного сердечника 1, на котором помещается катущка обмотки возбуждения 3, удерживаемая полюсным наконечником 2. Такое устройство ротора облегчает выполнение обмотки воз-

Рис. 4 2. Устройство ротора синхронного генератора с полюсам*: а) явно выраженными; б) с неявно выраженными

74

буждения, но при большой скорости вращения не может быть ис­ пользовано, так как не обеспечивает нужной механической проч­ ности.

Поэтому при большой скорости вращения (выше 1000 об/м) роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (рис. 4.26). Такой ротор выполнен в виде цилиндра, на части поверхности ко­ торого имеются пазы. В пазах укладываются проводники обмотки возбуждения, после чего эги пазы заклиниваются и лобовые сое­ динения обмотки возбуждения стягиваются стальными бандажами.

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приво­ дится во вращение синхронный генератор, последний называет­ ся гидрогенератором (первичный двигатель — гидравлическая турбина) или турбогенератором (первичный двигатель — паровая турбина).

Гидрогенераторы — обычно тихоходные явнополюсные машины с большим числом полюсов, выполняемые с вертикальным распо­ ложением вала.

Турбогенераторы — обычно тихоходные неявнополюсные маши­ ны, выполняемые в настоящее время с двумя полюсами. Ротор со­ временного турбогенератора выполняется из цельной стальной по­ ковки. На части поверхности ротора вырезаются пазы для разме­ щения обмотки возбуждения.

4.2. РАБОТА НАГРУЖЕННОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Если синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхоло­ стую, то тока в обмотках статора нет и магнитное поле в машине создается НС обмотки возбуждения Fm. Большая часть магнитных

силовых линий этого поля замыкается по магнитной среде через ротор и статор, образуя основной магнитный поток полюсов Фт , направленный по оси полюсов ротора.

При вращении ротора ноток полюсов пересекает проводники обмотки статора (якоря) и индуцирует в этой обмотке ЭДС, ко­ торая отстает от создающего ее потока на я/2.

Действующее значение ЭДС F0=4,44 KoGwf<Pm, где Коб — об­ моточный коэффициент обмотки статора; w — число последова­

тельно соединенных витков фазы обмотки статора.

При нагрузке генератора в обмотке статора протекает ток. Если нагрузка симметрична, ю токи в фазах обмотки статора

равны и сдвинуты на 1/3 периода. При этом обмоткой статора бу­ дет создаваться вращающееся магнитное поле, ПС которого Fa не­

изменна (при неизменном токе нагрузки) и вращается в простран­ стве с числом оборотов rii=60f/p. Так как частота ЭДС и тока в статоре f —npl60, где п — число оборотов ротора или магнитного поля полюсов в минуту, то м.1 = п, т. е. магнитное поле, создаваемое

токами в обмотке статора, вращается синхронно с магнитным по­ лем полюсов.

Большая часть магнитных силовых линий поля якоря замы­ кается через сталь статора и ротора, образуя поток якоря Фа.

75

Меньшая часть магнитных силовых линий поля якоря замыкается вокруг проводников обмотки якоря, образуя поток расстояния Фва, который обусловливает индуктивное сопротивление обмотки

якоря. В дальнейшем будем считать, что поток рассеяния не взаи­ модействует с полем полюсов, тогда как в действительности некокоторое взаимодействие существует.

Поток якоря, замыкаясь по магнитной цепи машины, воздей­ ствует на магнитный поток полюсов, изменяет его величину и рас­ пределение в пространстве (это воздействие поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря). Поэтому магнитный поток при нагрузке не будет равен магнитному потоку при холостом хо­ де. Это обстоятельство влияет на величину ЭДС и напряжение на зажимах генератора.

Воздействие поля якоря на поле полюсов будет различным в зависимости от характера нагрузки генератора, так как при актив­ ном, индуктивном и емкостном токе в якоре магнитные линии по­ ля, созданного этим током, различным образом направлены по от­ ношению к магнитным линиям ноля полюсов.

При вращении ротора (рис 4.3) максимальная ЭДС Етах ин-

Рнс. 4.3. Взаимное расположение магнитных тюлей полюсов и реакции якоря при нагрузке:

а) активной; б) индуктивной; в) емкостной; г) активноиндуктивной

76

дуцируе'гся в проводниках, находящихся в рассматриваемый мо­ мент времени под серединой полюсов.

Рассмотрим реакцию якоря при токе, совпадающем по фазе с ЭДС, т. ,е. максимум тока IVMX будет в тех же проводниках обмот­

ки якоря, что и ЭДС, Направление вектора магнитного поля мно­ гофазной обмотки совпадает с осью катушки той фазы, ток в ко­ торой максимален. Поэтому вектор магнитного поля якоря Ва на­

правлен по поперечной оси полюсов (рис. 4.3а). Поперечное поле якоря перераспределяет поток полюсов, усиливая его под одним краем (сбегающим) и ослабляя под другим краем полюса (набе­ гающим).

За счет насыщения стали магнитный поток под одним краем полюса увеличивается в меньшей степени, чем уменьшается под другим. Поэтому при увеличении нагрузки несколько уменьшается результирующее магнитное поле.

Если ток отстает от ЭДС на четверть периода, т. е. ток максимален в проводниках, в которых максимум ЭДС был четверть пе­ риода назад, то вектор магнитного поля Ва в этом случае будет

направлен по продольной оси полюсов встречно вектору магнитно­ го поля полюсов Вт (рис. 4.36). Поэтому результирующий магнит­

ный поток в этом случае будет меньше магнитного потока при хо­ лостом ходе.

Если ток опережает ЭДС на я/2, т. е. ток максимален в про­ водниках, в которых максимум ЭДС будет через четверть перио­ да, то вектор магнитного поля якоря будет направлен по продоль­ ной оси полюсов согласно с вектором магнитного поля полюсов (рис. 4.3в). Поэтому результирующий поток при емкостной нагруз­ ке будет больше магнитного потока при холостом ходе.

На практике чаще всего генератор имеет смешанную активно­ индуктивную нагрузку, реже активно-емкостную нагрузку. Поэто­ му вектор магнитного поля якоря направлен под некоторым углом

фк вектору магнитного поля полюсов.

Вмашинах с явно выраженными полюсами воздушный зазор

ние по продольной оси полюсов значительно меньше магнитного сопротивления по поперечной оси полюсов. Поэтому величина по­ ля якоря в такой машине зависит от направления вектора магнит­ ного поля якоря в пространстве, т. е. от характера нагрузки.

Пространственный угол между векторами магнитных полей якоря и полюсов определяется временным сдвигом между векто­ рами ЭДС и тока в обмотке статора, а также числом пар полюсов машины. Для количественной оценки реакции якоря воздействие магнитного поля якоря на поле полюсов рассматривается раздель­ но по продольной и поперечной осям полюсов.

На рис. 4 Зг показано взаимное расположение векторов маг­ нитного поля полюсов Вт и ноля якоря Ва, а также продольной

77

ли, то результирующее магнитное поле машины при нагрузке оп­ ределяется как геометрическая сумма потоков полюсов и я<соря по продольной и поперечной осям, т. е. £ р = Вт+ Bad+Baq>Прй насы­

щении стали вместо взаимодействия магнитных полей необходимо рассматривать взаимодействие НС, т. е.

Ер ^ Fm + Fad + Faq-

В машине с неявно выраженными полюсами воздушный зазор между ротором и статором одинаков по всей длине окружности статора, т. е. магнитное сопротивление примерно одинаково. По­ этому поток якоря не зависит от характера нагрузки и результи­ рующий поток при нагрузке (без учета насыщения стали)^ равен

геометрической сумме потоков полюсов и якоря, т. е. Вр=Вт+ Ва.

Уравнение равновесия ЭДС для фазы обмотки статора син­ хронного генератора с неявно выраженными полюсами может быть записано в следующем виде:

или

U = Е0 Еа Esa — Л*.

Активное сопротивление фазы обмотки статора г очень мало и

последним слагаемым этого уравнения можно пренебречь (1гж0).

ЭДС рассеяния пропорциональна току нагрузки и отстает от него по фазе на д/2, т. е. Ё5а= —\ixs> (xs — индуктивное сопротивление обмотки статора, обусловленное потоком рассеяния). ЭДС Еа, ин­

дуцируемая полем якоря, также пропорциональна току (без учета

насыщения стали) и отстает от его на я/2, т. е. £ а= —Нха (ха —

индуктивное сопротивление, обусловленное потоком якоря). По­ этому уравнение равновесия ЭДС фазы обмотки статора можно записать в следующем виде:

где хс = xs+ xa — синхронное индуктивное сопротивление фазы об­

мотки статора, учитывающее потоки рассеяния и якоря. Механическая мощность Рь подводимая к синхронному генера­

тору от первичного двигателя, преобразуется им в электромаг­ нитную Рур

где Рмех — механические потери в синхронном генераторе на тре­ ние о воздух и в подшипниках; Рст — потери мощности в стали якоря; Рв — потери мощности в цепи возбуждения синхронного

генератора; Р0 — потери мощности в генераторе при холостом ходе.

Полезная мощность генератора РТ, отдаваемая им в нагрузку,

меньше электромагнитной, так как часть этой мощности теряется

78

в обм стах якоря, обладающих активным сопротивлением. Если пренебречь потерями в обмотках якоря Ям (Ля<^Дф), то можно считать полезную мощность генератора равной электромагнитной

индуцируемой в обмотках якоря, а следовательно, электромагнит­ ной мощности, электромагнитного момента и угла 0. Переходный процесс закончится при некотором значении угла 0=0i, отличном от нуля, при котором.будет иметь равенство моментов первичного двигателя и электромагнитного момента генератора. Равенство мо­ ментов Afi = 7Wtjj является условием установившегося режима рабо­

79

ты генератора (предполагается, что потерь при холостом холе гене­ ратора нет, т. е. Ро=0).

Нормальная работа аппаратуры возможна лишь при незначи­ тельном изменении частоты тока в нагрузке. Поэтому пр|и работе

машины. Устойчивая работа машины возможна лишь в том слу­ чае, когда положительным приращениям момента первичного дви­ гателя будут соответствовать положительные приращения элект­

то устойчивая работа машины возможна при изменении угла 0 в пределах от 0 до л/2. Номинальной нагрузке машины соответст­ вует значение угла 0Н^ 2 5 —30°.

'Отношение максимальной мощности к номинальной определя­ ет перегрузочную способность машины, т. е.

Для синхронного генератора с явно выраженными полюсами уравнение равновесия ЭДС фазы обмотки якоря может быть пред­ ставлено как

дуктивное сопротивление от потоков по поперечной оси полюсов; Id, Iq — продольная и поперечная составляющие тока нагрузки.

Поперечное поле реакции якоря встречает на своем пути боль­ шое магнитное сопротивление, так как длина воздушного проме­ жутка в междуполюсном пространстве велика. Продольное поле реакции якоря в основном замыкается по стали, встречая неболь­ шие воздушные зазоры Поэтому синхронные индуктивные сопро­ тивления от потоков по продольной и поперечной осям полюсов различны, причем Xd>>Xg. Синхронное сопротивление хд постоянно

и не зависит от магнитного состояния материала машины. Сопро­ тивление Xd уменьшается по мере увеличения степени насыщения стали (так же как и сопротивление хс в машинах с неявно выра­

женными полюсами).

80