6. Процессы в синхронной машине при холостом ходе

При холостом ходе ток в обмотке якоря равен нулю. Обмотка возбуждения с током I_f образует магнитное поле возбуждения, МДС которого равна:

F_f= I_f W_f

Вследствие нелинейности магнитной характеристики возникают высшие гармоники МДС поля возбуждения. Поэтому принимаются меры по улучшению формы поля возбуждения, чтобы уменьшить содержание высших гармонических, поскольку высшие гармонические, не принимая участия в процессе преобразования энергии, вызывают добавочные потери. Улучшение формы поля возбуждения в явнополюсных машинах достигается выбором благоприятного соотношения между максимальным и минимальным зазором под полюсом, в неявнополюсных — выбором благоприятной относительной длины обмотанной части полюсного деления.

При воздействии поля возбуждения обмотке якоря индуктируется ЭДС E_f , которая содержит высшие гармоники. Искажение синусоидальности приводит к появлению добавочных потерь от высших гармонических. Поэтому ЭДС синхронных генераторов должны быть как можно ближе к синусоидальным.

Уменьшение содержания высших гармонических в кривой ЭДС достигается за счет укорочения шага обмотки якоря, размещения ее катушек в достаточно большом числе пазов, а также соединения фаз обмотки в звезду или треугольник.

В возбужденной машине при холостом ходе возникают механические потери на трение вращающихся частей P_мех, магнитные потери в стали магнитопровода якоря P_ст и некоторые добавочные электромагнитные потери P_д.х. Двигатель, приводящий синхронную машину во вращение, должен развивать мощность, равную сумме этих потерь

P_п.д= P_мех+P_ст+ P_д.х.

и составляющую 0,3—3 % полной мощности машины.

7. Магнитное поле возбуждения синхронной машины

Форма поля возбуждения характеризуется системой коэффициентов k_f, k_Ф, _, k_В, зависящих от соотношения размеров в пределах полюсного деления.

Коэффициент формы поля возбуждения равен отношению основной гармоники индукции к амплитуде радиальной составляющей индукции на поверхности сердечника статора:

.

Коэффициент потока возбуждения равен отношению полного потока взаимной индукции к потоку взаимной индукции, определенному по первой гармонике индукции:

где

Расчетный коэффициент полюсного перекрытия равен отношению средней индукции к амплитуде радиальной составляющей индукции на поверхности сердечника статора:

Коэффициент формы ЭДС равен отношению действующего значения основной гармоники индукции к средней индукции в зазоре:

В явнополюсной машине коэффициенты поля зависят от соотношения размеров активной зоны. Влияние зубчатости сердечников и насыщение зубцов и ярма статора учитывается введением эквивалентного зазора на оси полюса.

Для неявнополюсной машины

; ;

;

где γ – коэффициент заполнения окружности ротора обмоткой возбуждения.

8. Расчет магнитной цепи синхронной машины при холостом ходе

Цель расчета - определение тока возбуждения I_f и МДС возбуждения

.

Расчет ведется обычно при ЭДС возбуждения E_f =0,5U_ном; U_ном; k_EU_ном; 1,2U_ном, (для генераторов – k_E ≈ 1,08, для двигателей k_E ≈ 1,06; для компенсаторов k_E ≈ 1,13). При E_f=k_EU_ном индукции в стальных участках не должны превосходить допустимых значений.

Порядок расчета:

1). Магнитная цепь синхронной машины разбивается на участки – ярмо статора, зубцовая зона статора, воздушный зазор, сердечники полюсов (для явнополюсных машин) или зубцовая зона ротора (для неявнополюсных), ярмо ротора.

2). По заданной ЭДС E_f определяется магнитный поток взаимной индукции:

.

Магнитный поток в роторе определяется учетом рассеяния обмотки возбуждения:

Ф_m =Фσ_m,

где σ_m – коэффициент рассеяния полюсов.

3). Определяются значения магнитных индукций на каждом участке магнитной цепи:

.

4). Определяется напряжения магнитного поля H_i на каждом из участков по кривым намагничивания стали В_i =f(H_i).

5). Определяются МДС участков магнитной цепи статора и воздушного зазора:

5.1) в воздушном зазоре

F_ =B_  k_ / ₀

где k_ - коэффициент зазора.

5.2) в зубцовой зоне статора

,

где h_z – высота зубца, H_{z ср} – среднее напряжение поля в зубце

5.3) в ярме статора

F_a1 = k_a1H_a1L_a1

где H_a1 – напряжение магнитного поля в ярме статора; L_a1 – длина средней линии ярма статора

где h_a1 – расчетная высота ярма; D_a1 – диаметр ярма

6). Определяется магнитное напряжение цепи статора и зазора:

F₁ = F_ + F_z1 + F_a1

7). Определяется коэффициент насыщения (в явнополюсной машине), ( в неявнополюсной машине). Если он значительно отличается от ранее принятых значений, то расчет повторяют сначала с новыми значениями параметров.

8). Определяют коэффициент рассеяния полюсов:

где λ_fФ – коэффициент проводимости для потока рассеяния полюсов

9). Определяются МДС участков магнитной цепи ротора:

9.1) в ярме ротора

F_a2 = L_a2 H_a2

9.2) в зубцовой зоне ротора (для неявнополюсных)

F_z2 = h_z2 H_z2,

где h_z2 – высота зубца, H_z2 – напряжение поля в зубце.

9.3) в полюсах (для явнополюсных):

F_m = H_m h_m

9.4) в стыке между полюсами и ярмом (для явнополюсных):

10). Определяется магнитное напряжение цепи ротора:

- для явнополюсных

F₂ = F_m + F_m + F_a2

- для неявнополюсных

Магнитное напряжение ротора .

11) Результирующая МДС возбуждения

;

где k_H – коэффициент насыщения магнитной цепи.

По результатам расчета магнитной цепи строятся характеристика холостого хода и характеристики намагничивания.

К характеристикам намагничивания относятся основная характеристика намагничивания Ф = f ( F_f ), переходная характеристика намагничивания Ф = f ( F₁ ), характеристика намагничивания сердечника ротора Ф_m = f ( F₂ ) и характеристика намагничивания для потока рассеяния Ф_{f } = f ( F₁ ), где Ф_{f } = Ф_m – Ф.