Лекции / Лекция 10

8.1.2. Устройство синхронных машин

Синхронная машина (СМ), принципиальная схема устройства которой приведена на рис. 8.1а, состоит из статора (якоря) 1 и ротора (индуктора) 2.

Я корь СМ принципиально устроен так же, как и статор АД. В пазах статора размещается многофазная (обы­чно трёхфазная) обмотка 1 (рис. 8.1а). Фазы обмотки, как правило, соединяют по схеме в звезда. Магнитодвижущие силы фазных обмоток статора создают вращающееся магнитное поле Ф_в машины.

Явнополюсный ротор (рис. 8.1а и рис. 8.2) представляет собой электромагнит 2, обмотка 3 которого питается постоянным током через два контактных кольца 4 и щетки 5 от постороннего источника напряжения ИН, называемой обмоткой возбуждения ОВ (рис. 8.2).

Ток I_в ИН создаёт магнитный поток возбуждения Ф_в. В качестве источника постоянного напряжения ИН (возбудителя) используют генератор постоянного тока, располагаемый на одном валу с ротором СМ, или вентильный выпрямитель с щёточной или безщёточной системой возбуждения.

Неявнополюсный ротор (рис. 8.1б) состоит из сердечника 1, изготавливаемого из углеродистой или легированной стали, и обмотки возбуждения 2, распределённой по нескольким пазам ротора таким образом, чтобы получить синусоидальную по форме магнитную индукцию В в зазоре машины.

8.2. РАБОТА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ В КАЧЕСТВЕ ГЕНЕРАТОРА

8.2.1. ЭДС генератора

При работе синхронной машины в качестве генератора возбужденный ротор приводи­тся во вращение с частотой n₂ внешним механическим моментом (например, моментом гидравлической или паровой турбины).

Магнитодвижущая сила ОВ создаёт магнитный поток Ф_в, неподвижный относительно полюсов N–S и замыкающийся через сердечник статора (см. рис. 8.1а). Вращающимся магнитным потоком Ф_в в фазах якорной обмотки индуктируются ЭДС Е_я с частотой f₁ = pn₂/60, смещённые во времени на электрический угол 120°.

Рассмотрим ЭДС, индуктируемую в фазе обмотки статора. Конструкция машины обеспечивает синусоидальное распределение магнитной индукции В полюсов в воздушном зазоре, вследствие чего при вращении ротора (индуктора) с частотой n₂ = n₀ в каждом витке обмотки создаётся синусоидально изменяющаяся ЭДС e₁ = 2B_il v, где B_i – магнитная индукция в местах нахождения проводников длиной l витка обмотки; v = πdn₀/60 – скорость вращения ротора. При числе витков w фазной обмотки статора максимальное значение индуктированной в ней ЭДС E_m = 2wB_mlv, где B_m – максимальное значение магнитной индукции над полюсом ротора.

Заменив синусоидальное распределение магнитной индукции в зазоре средним значеием B_cp = 2B_m /π (B_m = πB_cp/2) и преобразовав, имеем E_m = 2πw(pn₀ / 60)lτB_cp, где τ = πd/2p – полюсное деление.

У читывая, что произведение lτ = S – сечение поверхности, пронизываемой магнитным потоком Ф_в = В_срS полюса, получим действующее значение ЭДС

где – постоянный коэффициент ЭДС, зависящий от конструктивных осо­бенностей синхронной машины; k_оя – обмоточный коэффициент фа­зы статора.

Таким образом, частота f₁ ЭДС Е_я якоря пропорциональна частоте вращения ротора, а её неизменность обеспечивается условием n₀ = const. Регулирование величины ЭДС Е_я и нап­ряжения U на выходе генератора осуществляют изменением магнитного потока Ф_в, точнее, изменением тока возбуждения I_в в обмотке ОВ (см. рис. 8.2).

8.2.2. Реакция якоря

Если к обмотке статора подключить симметричную нагрузку Z_н, то под действием ЭДС в ней и во внешней цепи будут протекать токи I_A, I_B и I_C, которые создают МДС якоря F_я и магнитное поле Ф_я, вращающееся с частотой n₁, т.е. синхронно с ротором. Следовательно, магнитный поток якоря Ф_я и поток возбуждения Ф_в будут взаимно неподвижны и результирующий магнитный поток Ф_р при нагрузке создаётся суммарным действием взаимно неподвижных МДС F_в и F_я.

В установившемся режиме ЭДС в обмотке ротора не создаётся; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины. Однако результирующий магнитный поток машины Ф_р существенно зависит от характера на­грузки и оказывает существенное влияние на режим работы СГ.

Воздействие МДС якоря на магнитное поле ротора называют реакцией якоря. Так как реакция якоря изменяет результирующий магнитный поток в машине, то напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера наг­рузки Z_н.

Анализ проявления реакция якоря при различном характере нагрузки на напряжение работающего в автономном режиме генератора с явнополюсной конструкцией ротора (p = 1), показал следующее:

 при активной (R) нагрузке происходит искажение магнитного потока машины и появление момента сопротивления на валу ротора машины, т.е. увеличение тока нагрузки сопровождается увеличением нагрузочного момента на валу первичного двигателя;

 при емкостной (С) нагрузке магнитный поток якоря Ф_я совпадает по направлению с магнитным потоком ротора Ф_в, т.е. емкостная нагрузка намагничивает машину и увеличивает напряжение генератора;

 при индуктивной (L) нагрузке магнитный поток якоря Ф_я противоположен по нап­ра­­в­­­лению с магнитным потоком ротора Ф_в, т.е. индуктивная нагрузка размагничивает машину и уменьшает напряжение генератора;

 при активно-индуктивной (RL) нагрузке реакция якоря имеет две составляющие  создающую момент сопротивления на валу ротора и размагничивающую машину.

8.2.3. Основные характеристики автономного СГ

Рассмотрим следующие характеристики СГ: холостого хода (ХХ), внешнюю и регулировочную.

Характеристика холостого хода Е_я = f(I_в) – зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при отключенной нагрузке (I = 0) и постоянной частоте вращения (n = const) ротора (рис. 8.3).

Эта характеристика аналогична кривой намагничивания фер­­ромагнитного материала. На рис. 8.3 показаны две ветви характеристики: одна получена при увеличении тока возбуждения, а вторая – при уменьшении тока I_в. Электродвижущая сила Е_яo создаётся остаточным магнитным потоком ротора при токе I_в = 0. Характеристика ХХ позволяет оценить степень насыщения магнитной цепи генератора.

Внешняя характеристика U_ф = f(I) – зависимость фазного напряжения генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения (n = const) ротора, неизменном токе возбуждения (I_в = const) и коэффициенте мощности нагрузки (cosφ = const). Напряжение U_ф на зажимах фазной обмотки якоря, схема замещения которой приведена на рис. 8.4а, зависит от индуктируемой в ней магнитным потоком Ф_р результирующей ЭДС E_я и падений напряжений в активном сопротивлении R_я и в так называемой синхронном индуктивном сопротивлении Х_с, т.е.

U_ф = E_я – R_яI – jX_cI.

В синхронных машинах обычно R_я << X_c. Пренебрегая падением напряжения R_яI, получим упрощенное уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора

U_ф = E_я – jX_cI.

Э тому уравнению соответствует упрощенная векторная диаграмма (рис. 8.4б) для активно-индуктивной нагрузки Z_н. Построение векторной диаграммы удобнее начать с вектора тока I, затем под углом φ провести вектор напряжения U_ф. Вектор jX_cI опережает по фазе вектор тока I на угол π/2. Вектор ЭДС E_я определяется геометрическим сложением векторов U_ф и jX_cI. Как видно из диаграммы, в режиме генератора вектор ЭДС E_я больше вектора напряжения U_ф и опережает его по фазе на угол Θ.

Таким образом, фазное напряжение U_ф на выходе генератора, работающего в автономном режиме (на строительной площадке, в сельской местности, на морских и речных судах и т.д.), зависит от тока I и характера нагрузки.

На рис. 8.4в построены внешние характеристики СГ при n₀ = const и различных нагрузках: активно-ёмкостной RC, активной R и активно-индуктивной RL.

Вследствие большой величины внутреннего сопротивления X_с генератора и ослабления магнитного потока Ф_в (за счёт размагничивающего действия реакции якоря при активно-индуктивной нагрузке) происходит уменьшение напряжения U_ф (при номинальном токе наг-рузки I_н падение напряжения U_ф достигает 25-35%). Однако при активно-емкостной нагрузке с увеличением тока I напряжение U_ф увеличивается. Это связано с намагничивающим действием реакции якоря при ёмкостном характере нагрузки.

Р егулировочная характеристика генератора I_в = f(I). Для стабилизации фазного напряжения U_ф генератора необходимо регулировать ЭДС E_я путём соответствующего изменения тока возбуждения I_в.

Регулировочные характеристики снимаемые при n₀ = const и cosφ = const, приведены на рис. 8.5. Они показывают, как необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки генератора, чтобы поддерживать напряжение на выходе неизменным.

Характер изменения тока возбуждения I_в легко объяснить, анализируя характеристики внешнюю и ХХ (см. рис. 8.4в и рис. 8.3).

8.3.2. Выработка генератором электрической энергии

После включения генератора в сеть он работает в режиме ХХ (I = 0). Чтобы генератор начал вырабатывать электрическую энергию и передавать её в сеть, необходимо увеличить вращающий момент М первичного двигателя. При этом происходит угловое смещение между осями магнитных полей ротора и статора на угол Θ в направлении вращения ротора. Частота вращения ротора машины остаётся неизменной: ротор удерживается вращающимся магнитным полем статора, частота вращения которого n₀ = 60f₁/р измениться не может, так как частота напряжения сети f₁ = const.

Изменение тока возбуждения I_в ротора приводит к изменению только характера реактивной мощности Q СГ: при большом токе I_в (при перевозбуждении) реактивная мощность имеет индуктивный характер (Q_L), при недовозбуждении – ёмкостный (Q_C).

Обычно СГ работает с перевозбуждением (при отстающем токе) с коэффициентом мощности cosφ ≈ 0,850,9.

8.4. РАБОТА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ В КАЧЕСТВЕ ДВИГАТЕЛЯ

8.4.1. Принцип работы синхронного двигателя (СД)

П ри включении обмоток 1 якоря (рис. 8.7a) в трехфазную сеть токи статорной обмотки, смещенные по фазе на угол 2π/3, создают в. м. п. Ф_я с частотой n₁ = 60f₁/p. Однако ротор с магнитным потоком Ф_в, созданным постоянным током I_в обмотки возбуждения 2, будет неподвижным, так как быстровращающееся магнитное поле Ф_я действует на ротор со знакопеременной силой, не создающей среднего момента, т.е. пусковой момент СД М_п = 0.

Но если предварительно разогнать ротор до частоты вращения n₂, близкой к синхронной n₁, то возникающий электромагнитный момент М, как результат взаимодействия (притяжения) разноименных полюсов магнитных полей якоря и ротора, (см. рис. 8.7б) заставит следовать ротор за магнитным полем статора, как говорят, втянуться в синхронизм.

Для разгона современных синхронных двигателей (СД) в их ротор встраивают пусковую КЗ обмотку 3 (см. рис. 8.7а), подобную беличьей клетке АД. Стержни этой обмотки укладывают в специальные пазы полюсов и соединяют по торцам ротора.

8.4.2. Пуск в ход синхронных двигателей

Д ля мощных СД предпринимают ряд мер по ограничению пусковых токов обмоток якоря и ЭДС в обмотке возбуждения. Обычно процесс пуска мощных СД автоматизирован и осуществляется по следующей схеме (рис. 8.13):

• при разомкнутой цепи якоря обмотка возбуждения ОВ отключается от источника постоянного напряжения и замыкается посредством переключателя Q₂ на резистор R, сопротивление которого в 1015 раз превышает сопротивление ОВ. Если обмотка возбуждения разомкнута, то в начале пуска в ней будет наводиться большая ЭДС, опасная для изоляции обмотки ротора и обслуживающего персонала;

• после подключения обмотки якоря к трехфазной сети под действием асинхронного электромагнитного момента М ротор разгоняется до частоты вращения n₂ ≈ 0.95n₁;

• обмотка возбуждения отключается от резистора R и подключается (посредством переключателя Q₂) к источнику постоянного напряжения ИН, при этом СД втягивается в синхронизм (частота ротора n₂ = n₁ = n₀).

При идеальном холостом ходе (М_c = 0) ось результирующего магнитного поля

Ф_р = Ф_я + Ф_в

будет совпадать с осью ротора (угол Θ = 0 между векторами Ф_я и Ф_в (см. рис. 8.7б).

Если к валу двигателя приложить момент сопротивления (М_c > 0), то ось ротора и вектора магнитного потока Ф_в сместятся относительно оси вектора магнитного потока Ф_я на угол Θ в сторону отставания (см. рис. 8.7в).

8.4.3. Электромагнитный момент двигателя

В установившемся режиме момент сопротивления М_c на валу машины будет уравновешен вращающим электромагнитным моментом, развиваемым двигателем, т.е. М_эм = М_c.

Д ля вывода выражения электромагнитного момента СД воспользуемся схемой замещения одной фазы обмотки якоря (рис. 8.9а). Активное сопротивление обмотки якоря R_я мало, поэтому в схеме замещения оставляют только ее индуктивное сопротивление jX_c. Так как синхронный двигатель является приёмником электрической энергии, то его противo-ЭДС E_я направлена встречно напряжению U_ф. Запишем уравнение электрического состояния фазы обмотки СД:

U_ф = E_я + jX_cI.

Этому уравнению соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 8.9б. Вектор ЭДС E_я, который связывают с положением полюсов N' – S' ротора, отстаёт на угол Θ от вектора фазного напряжения U_ф сети, с которым связано положение полюсов результирующего магнитного поля N – S статора машины.

Электромагнитная мощность, потребляемая двигателем из сети, P_эм = 3U_фIcosφ.

Электромагнитный момент СД М_эм = Р_эм/ω₀ = 3U_фIcos_φ/ω₀ = 3U_фE_яsinΘ/(ω₀X_c),

где ω₀ = 2πn₀ / 60; XcIcosφ = E_яsinΘ, откуда Icosφ = E_яsinΘ/Xc (рис. 8.9б).

Итак, электромагнитный момент СД М_эм = М_maxsinΘ, где М_max = 3U_фE_я/(ω₀X_с).

8.4.4. Угловая характеристика двигателя

Анализируя полученное выражение М_эм, можно сделать вывод, что при постоянных значениях напряжения U_ф, частоты f₁ и тока возбуждения I_в, электромагнитный момент М_эм и мощность Р_эм = М_эм/ω₀ двигателя прямо пропорциональны sinΘ.

Зависимость электромагнитного момента М_эм от угла рассогласования Θ (угла сдвига фаз между вектором ЭДС фазы якоря E_я и вектором напряжения сети U_ф), т.е. М_эм(Θ), называют угловой характеристикой СД (рис. 8.10).

Из анализа угловой характеристики следует, что при изменении момента сопротивления М_c на валу и токе возбуждения I_в = const устойчивая работа двигателя возможна только на участке характеристики от угла Θ = 0 до угла Θ = π/2. Точка A соответствует номинальному режиму работы. При номинальном режиме угол Θ_н ≈ 2035°, что соответствует двукратному или несколько большему запасу по мощности или моменту

λ = М_max/М_н = 1/ sinΘ ≈ 22,5.

Напомним, что отношение максимального момента к номинальному моменту λ назы­ва­ют перегрузочной способностью двигателя.

Изменение нагрузочного момента М_c при работе на устойчивой части характеристики М_эм(Θ) приводит к такому изменению момента двигате­ля, при котором обязательно наступает равенство моментов М_c и М_эм.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, наступает при угле Θ ≈ 90°. На неустойчивой части характеристики M_эм(Θ) при угле рассогласования от Θ = π/2 до Θ = π устойчивая работа двигателя невозможна.

8.4.5. Механическая характеристика двигателя

П ри увеличении момента сопротивления М_c угол рассогласования Θ, механическая мощность P₂ на валу СД и потребляемая из сети электроэнергия будут расти. Однако частота вращения ротора будет оставаться постоянной, равной n₀. Увеличение момента М_c (перегрузка), ведет к выпадению двигателя из синхронизма и остановке ротора. При этом ЭДС E_я = 0 и ток якоря I резко увеличивается, так как

I = (U_ф – E_я) / jX_c = U_ф / jX_c.

  Итак, при угле Θ < π / 2 механическая характеристи­ка СД n₀ = f(М) абсолютно жесткая (рис. 8.11а).

Она представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. Такая зависимость определяется характерной особенностью СД: их ротор может вращаться только с синхронной частотой n₀ = 60f₁/p.

Изменение направления вращения ротора (реверс) СД достигается изменением последовательности фаз напряжения трёхфазной питающей сети, для чего меняют местами любые два провода, подходящие к зажимам обмотки статора.

8.4.6. Работа двигателя в режиме компенсатора реактивной мощности

Второй особенностью синхронных двигателей является то, что они, работая с механической нагрузкой, позволяют в широких пределах изменять реактивный ток и реактивную мощность. Действительно, при достаточном увеличении тока I_в ЭДС E_я становится больше напряжения U_ф, и вектор тока I якоря опережает по фазе вектор фазного напряжения сети U_ф (рис. 8.11б).

Синхронный двигатель для сети становится активно-ёмкостной нагрузкой. Эту способность перевозбужденного СД без нагрузки на валу работать с опережающим током I, используют в промышленности для улучшения коэффициента мощности cosφ цехов и заводов (СД работает в режиме компенсации реактивной индуктивной мощности Q_L). Мощность синхронных компенсаторов достигает 100160 МВАр.

8.4.7. U-образные характеристики двигателя

З ависимости тока якоря двигателя от тока возбуждения, т.е. I = f(I_в) при постоянной нагрузке (М = const или P₂ = const) на валу двигателя называют U-образными характеристиками СД.

На рис. 8.12 приведено семейство характеристик I = f(I_в) для различных значений мощности на валу СД. Пунктирная линия соответствует значению коэффициента мощности cosφ = 1.

Обратите внимание, что при больших токах возбуждения происходит насыщение магнитной цепи машины, в результате чего нарушается линейная зависимость магнитного потока Ф_р и ЭДС Е_я от тока возбуждения I_в. Поэтому правые ветви U-образных характеристик становятся более пологими.

СД мощностью свыше 100 кВт оказываются экономически выгоднее асинхронных, в основном благодаря способности работать с опережающим коэффициентом cosj.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Изобразите схематично устройство синхронной машины (СМ). Начертите её электрическую схему и напишите выражение для действующего значения ЭДС СГ при ХХ.

2. Объясните физический смысл реакции якоря в СГ при различном характере нагрузки.

3. Начертите характеристики СГ: ХХ, внешнюю и регулировочную.

4. Начертите схему замещения фазы СГ и постройте её упрощённую ВД.

5. Каковы условия и порядок включения СГ на параллельную работу с сетью трёхфазного тока

6. Изложите принцип работы СД и объясните, как происходит его пуск в ход.

7. Начертите угловую и механическую характеристики СД.

8. Каким образом можно регулировать коэффициент мощности СД при неизменной нагрузке на валу

9. Перечислите преимущества и недостатки СД.

10. С какой целью используют синхронные компенсаторы

11. Объясните принцип действия синхронных гистерезисного и реактивного микродвигателей.

12. Изобразите схематично устройство шагового синхронного микродвигателя и объясните принцип его действия.