3.1.2. Возбуждение синхронных машин
Любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения, т. е. наведения в ней магнитного поля. Для этого применяют два способа - электромагнитное возбуждение и возбуждение постоянными магнитами:
1). Электромагнитное возбуждение – сущность состоит в том, что магнитное поле в магнитной системе машины создаётся постоянным током, протекающим по расположенным на роторе обмоткам возбуждения. Различают:
а). Независимое электромагнитное возбуждение – обмотка возбуждения питается от специального генератора (возбудителя), в качестве которого используют однофазный синхронный генератор постоянного тока. Ротор синхронного генератора и якорь возбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения в цепь возбуждения возбудителя включают регулировочный реостат. Независимое возбуждение имеют, например, тяговые синхронные генераторы, применяемые в системах переменно-постоянного тока.
б). Бесконтактное электромагнитное возбуждение - обмотка возбуждения питается от генератора переменного тока (возбудителя) через выпрямитель, расположенный на валу синхронной машины вместе с её ротором и якорем возбудителя. Отсутствие контактных колец и щёток позволяет повысить надёжность и КПД машин.
в). Автоматическое электромагнитное самовозбуждение применяется для синхронных генераторов – обмотка возбуждения питается от обмотки статора через понижающий трансформатор и полупроводниковый выпрямитель. Применяют схемы с самовозбуждением в гидрогенераторах, а на подвижном составе в синхронных генераторах, питающих обмотку возбуждения тяговых генераторов и вспомогательных устройств.
2. Возбуждение постоянными магнитами – применяют в синхронных машинах малой мощности, при этом на роторе располагают постоянные магниты. В результате конструкция машины упрощается, становится более надёжной и экономичной. Но из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки этот способ возбуждения применяют для машин мощностью не более нескольких киловатт.
3.1.3. Потери и кпд синхронных машин
Преобразование энергии в синхронных машинах связано с её потерями. Все виды потерь разделяют на основные и добавочные:
Основные потери Pо – это электрические потери в обмотке статора Pэ1, потери на возбуждение Pв, магнитные потери Pм1 и механические потери Pмех:
Pо = Pэ1+Pв+Pм+Pмех.
Электрические потери обусловлены нагревом обмоток статора,
Pэ1 = m1×I²1×r1,
где m1 – число ваз статора, I1 – ток статора, r1 – активное сопротивление фазы обмотки статора при рабочей температуре 75˚С.
Потери на возбуждение в основном обусловлены нагревом в обмотке возбуждения,
Pв = (I²в×rв)+(ΔUщ×Iв),
где Iв – ток возбуждения, rв – активное сопротивление цепи возбуждения, ΔUщ – падение напряжения в щёточном контакте (≈2 В).
Магнитные потери это потери в сердечнике статора на перемагничивание,
Pм1 = Pг+Pв.т.,
где Pг – потери на гистерезис, Pв.т. – потери на вихревые токи.
Механические потери это потери на трение в подшипниках, трение о воздух или другой охлаждающий газ и трение щёток о контактные кольца,
Pмех
≈ 3,68(v2/40)ᵌ×
ᵌ×l1,
где v2 – окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, l1 – конструктивная длина сердечника статора.
Добавочные потери Pд – это потери в поверхностном слое ротора, вызванные пульсациями поля вследствие зубчатой поверхности статора и ротора Pп и потери, вызванные полями рассеивания Pр,
Pд = Pп+Pр.
Добавочные потери Pд в синхронных машинах при нагрузке определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для машин мощностью до 1000 кВт Pд = 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт – (0,25÷0,4)%.
Следовательно, суммарные потери в синхронной машине ∑P (кВт):
∑P = (Pо+Pд)/1000.
КПД синхронного генератора ηг:
ηг = 1-∑P/(Pн+∑P),
где Pн – активная мощность, отбираемая от генератора в сеть или отбираемая двигателем от сети (кВт), Pн = (m1×U1н×I1н× cos φ1)/1000.
КПД синхронного двигателя ηд:
ηд = 1-∑P/Pн.
КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки, которая определяется коэффициентом нагрузки β, который определяется отношением отдаваемой или отбираемой машиной мощности P к номинальной мощности машины Pн (β = P/Pн) и от её характера (cos φ1). КПД синхронных машин мощностью до100кВт составляет (80÷90)%, у более мощных машин – (92÷99)%. Турбо- и гидрогенераторы мощностью в десятки и сотни тысяч киловатт имеют более высокие значения КПД.