3. Синхронные машины

3.1. Устройство и принцип действия

Устройство синхронной машины (СМ) рассмотрено выше. Допустим, что возбужденный ротор СМ вращается с частотой n.С той же частотой вращается и создаваемый обмоткой возбужденный поток, который наводит в обмотке статора ЭДС. В трехфазной СМ фазные обмотки статора сдвинуты в пространстве на 120⁰, поэтому вращающийся поток возбуждения наводит ЭДС, сдвинутые по фазе во времени на 120⁰. Если к такой машине подключить симметричную трехфазную нагрузку, то в фазах обмотки статора будут протекать симметричная система токов. Они создают вращающееся магнитное поле статора с частотой вращения

, где частота токов в фазах.

В результате чего будем иметь , т. е. в данном случае поле ротора и статора вращаются синхронно, они неподвижны относительно друг друга и образуют результирующее поле, как в асинхронной машине (АМ). Но в отличие от АМ частота вращения ротора СМ жестко связана с частотой вращения поля статора. Следовательно, в СМ частота вращения ротора находится в строгом соотношении с частой сети.

3.2. Магнитное поле и основные параметры синхронной машины

3.2.1. Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения

При вращении возбужденного ротора, поток, создаваемый обмоткой возбуждения (ОВ) наводит в обмотке статора ЭДС. При холостом ходе машины эта ЭДС определяет напряжение на зажимах машины. ОВ создает поток, состоящий из основного потокаи потока рассеяния ОВ(рис. 3.1).

Под основным потоком будем понимать поток, соответствующий первой гармоники поля. Это правомерно, так как наконечникам полюсов придают такое очертание, при котором кривая распределения поля в зазоре примерно синусоидальная. Кроме того, высшие гармоники можно существенно уменьшить путем соответствующего выбора укорочения шага. Третья гармоника и кратные ей подавляются путем соединения 3-х фазной обмотки в звезду.

Рассмотрим структуру магнитного поля при различных исполнениях ротора.

а) Явнополюсный ротор.

Действительная кривая распределения магнитного поля в воздушном зазоре имеет вид кривой 1, а первая гармоника – вид кривой 2 (рис. 3.2).

–максимальное значение действительной кривой распределения поля, а – амплитуда первой гармоники поля в воздушном зазоре. Отношениеназывают коэффициентом формы кривой поля в воздушном зазоре. Он зависит от величин,,.

При значениях ;;этот коэффициент.

Магнитодвижущия сила (МДС) обмотки возбуждения (ОВ) на полюс будет ,

где – число витков обмотки возбуждения.

Тогда максимальное значение индукции поля в воздушном зазоре

.

Здесь – удельная магнитная проводимость воздушного зазора,

–коэффициент воздушного зазора,

–коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси.

Амплитуда первой гармоники поля

.

Коэффициент воздушного зазора определяется исходя из расчетного значения воздушного зазора

.

Основной поток

.

Максимальное потокосцепление обмотки статора с потоком ОВ соответствует совпадению осей этих обмоток

,

где – обмоточный коэффициент.

.

При вращении возбужденного ротора, потокосцепление фазы обмотки якоря будет изменяться по косиносоидальному закону . При этом коэффициент взаимоиндукции между обмотками статора и возбуждением будет

.

ЭДС индуктируемая в обмотке статора при вращении индуктора (ротора)

,

где ,

–индуктивное сопротивление взаимоиндукции между ОВ и обмоткой статора. Действующее значение ЭДС

.

Отсюда. Таким образом,.

Так как зависимости илинелинейны, то зависимостьтакже нелинейна и с увеличением насыщенияуменьшается, аувеличивается (рис. 3.3)

,

–коэффициент потока.

– полный поток возбуждения, соответствующий площади, ограниченной кривой 1 (рис. 3.2).

б) Неявнополюсная СМ.

В этой машине ОВ размещается в пазах ротора, при этом ширина пазов значительно меньше величины воздушного зазора, поэтому влиянием пазов на распределение поля можно пренебречь и считать, что кривая распределения индукции имеет трапецеидальный характер (рис. 3.4), где

γ – отношение обмотанной части ротора к полюсному делению.

Действительная кривая распределения поля индуктора в воздушном зазоре (кривая 1). Кривая 2 соответствует первой гармонике распределения поля индуктора в воздушном зазоре.

Максимальное значение кривой распределения поля будет

.

Так как ОВ в данном случае представляет собой распределенную обмотку, обмоточный коэффициент которой является по сути коэффициентом распределения

, то ее МДС будет .

В результате амплитуду 1-ой гармоники поля возбуждения и коэффициент формы кривой поля можно записать в виде

,

.

При и.

.