7.2.3. Режимы работы синхронной машины

Любая синхронная машина может работать в режимах генератора и двигателя. Режим работы синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине, так же как и в асинхронной, магнитное поле статора, вращающееся с угловой скоростью ω. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля статора в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора и двигателя показано соответственно на рис. 7.32, а и б штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля статора показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью ω пары полюсов S_c и N_c, расположенных на статоре.

Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.

Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.

Рис. 7.32

Для того чтобы заставить синхронную машину, включенную в сеть, работать в режиме генератора, отдавая энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол относительно оси полюсов статора в направлении вращения (см. рис. 7.32, а).Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создает тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование энергии механического движения первичного двигателя в электрическую энергию генератора. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора.

Если приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернется на некоторый угол относительно оси полюсов статора против направления вращения (рис. 7.32, б). Вновь изменятся токи в обмотках статора и возникнут электромагнитные силы взаимодействия токов обмоток статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины, т.е. синхронная машина переходит в режим двигателя.

Синхронная машина работает в режиме генератора или двигателя в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.

7.2.4. Уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора

Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только постоянным током в обмотке ротора, но и переменными токами в фазных обмотках статора (якоря). Следовательно, в синхронных машинах, как и в машинах постоянного тока, имеет место реакция якоря — воздействие МДС якоря на главное магнитное поле машины.

Физически в синхронной машине существует лишь одно результирующее поле, складывающееся из постоянного магнитного поля вращающегося с угловой скоростью ω ротора, магнитного поля рассеяния статора (см. рис. 7.9) и вращающегося синхронно с ротором магнитного поля реакции якоря. Но, пренебрегая влиянием гистерезиса и насыщения магнитопровода (линейная цепь), целесообразно рассматривать эти магнитные поля как существующие независимо друг от друга, создающие с фазной обмоткой статора независимые потокосцепления и индуктирующие в ней соответствующие ЭДС [см. (3.10)]. При этом для анализа процессов в синхронной машине можно воспользоваться комплексным методом.

В нагруженном синхронном генераторе потокосцепление поля ротора с фазной обмоткой статора Ψ₀ [см. (7.3,б)] индуктирует в ней ЭДС

(7.30,а)

равную ЭДС холостого хода, потокосцепление рассеяния Ψ_рас индуктирует ЭДС

(7.30,б)

где — ток в обмотке статора; Х_рас — индуктивное сопротивление рассеяния, и, наконец, потокосцепление реакции якоря Ψ_р.я индуктирует в обмотке статора ЭДС

где Х_я — индуктивное сопротивление якоря.

При таком истолковании процессов ЭДС , индуктируемая в фазной обмотке потокосцеплением , равна сумме напряжений , , на индуктивных Х_рас и Х_я и активном R_в сопротивлениях фазной обмотки и напряжения между выводами фазной обмотки синхронного генератора . Следовательно, уравнение электрического состояния фазы статора синхронного генератора записывается в виде

(7.31)

где Х_рас + Х_я = X — индуктивное сопротивление фазной обмотки статора, называемое синхронным реактивным (индуктивным) сопротивлением. У синхронной машины с ненасыщенным магнитопроводом это — относительно постоянная величина.

Падение напряжения на синхронном реактивном сопротивлении X в неявнополюсных синхронных машинах составляет при номинальной нагрузке до 20 % номинального фазного напряжения. Значительное синхронное реактивное сопротивление полезно, так как в случаях коротких замыканий между выходными выводами генератора оно ограничивает ток. Активное сопротивление фазной обмотки статора весьма мало. Обычно падение напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки при номинальной нагрузке составляет для генераторов большой мощности

1 - 2 % номинального фазного напряжения. В большинстве расчетов им можно поэтому пренебречь; будем учитывать его лишь в некоторых случаях.