- •3. Синхронные машины
- •3.1. Устройство и принцип действия
- •3.2. Магнитное поле и основные параметры синхронной машины
- •3.2.1. Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения
- •3.2.2. Магнитное поле и параметры обмотки якоря синхронной машины
- •3.2.3. Приведение мдс и тока якоря к обмотке возбуждения
- •3.3. Векторные диаграммы трехфазных синхронного
- •3.3.1. Основные виды векторных диаграмм напряжения
- •3.3.2. Построение векторной диаграммы см с учетом насыщения
- •3.4. Характеристики синхронного генератора
- •3.4.1. Общие замечания
- •2.4.2. Характеристика холостого хода
- •3.4.3. Характеристика короткого замыкания
- •3.4.4. Отношение короткого замыкания
- •3.4.5. Внешняя характеристика
- •3.4.6. Регулировочная характеристика
- •3.4.7. Нагрузочная характеристика
- •3.5. Параллельная работа см
- •3.5.1. Включение на параллельную работу трехфазных
- •3.5.2. Особенности работы синхронной машины с сетью
- •3.5.3. Электромагнитная мощность и электромагнитный
- •3.5.4. Угловая характеристика синхронной машины.
- •3.5.5. Работа синхронного генератора при переменном
- •3.6. Синхронные двигатели и компенсаторы
- •3.6.1. Общие сведения о синхронных двигателях
- •3.6.2. Векторная диаграмма синхронного двигателя
- •3.6.3. Режимы работы синхронного двигателя
- •3.6.4. Рабочие характеристики синхронного двигателя
- •3.7. Несимметричная нагрузка синхронного генератора
- •3.8. Внезапное короткое замыкание синхронной машины
- •3.9. Колебания синхронной машины при параллельной работе
- •3.10. Системы возбуждения синхронной машины
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 потока и 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.
.