ИЭ (13.03.02) / Лекции / 7. Синхронные машины

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Основы конструкции электрических машин переменного тока

Электрические машины переменного тока бывают однофазными, двухфазными и трехфазными ( m = 1, 2, 3). Два первых типа относятся к машинам малой мощности, применяемым в быту и системах автоматики. Машины средней и большой мощности, в том числе энергетические, трехфазные.

У основного типа исполнения электрических машин на статоре расположена

m-фазная обмотка переменного тока, подключаемая к сети или к автономной нагрузке

По сердечнику проходит переменный магнитный поток.

Для уменьшения потерь от вихревых токов и гистерезиса сердечник набирается из листов

электротехнической стали в форме колец, с наружным диаметром D и внутренним .D

1

Листы изолированы между собой, спрессованы в монолитную конструкцию и стянуты по наружной поверхности

У синхронных машин ротор представляет собой вращающийся магнит — постоянный магнит у машин малой мощности и электромагнит у мощных машин.

Число пар полюсов р на роторе то же, что и у обмотки статора.

Обмотка электромагнита называется обмоткой ротора или обмоткой возбуждения, а проходящий по ней постоянный ток, током ротора или током возбуждения.

В этих условиях полюса ротора жестко связаны с его телом и вращаются с той же скоростью, что и сам ротор. К вращающейся обмотке ротора ток возбуждения подводится посредством скользящего контакта между двумя вращающимися кольцами, к которым присоединена обмотка возбуждения, и неподвижными щётками. Щётки соединяются с источником постоянного тока, называемым возбудителем. Он позволяет изменять (регулировать) величину тока. Применяется также бесщёточная система возбуждения с вращающимися выпрямителями В установившемся симметричном режиме работы синхронной машины сталь ротора не

перемагничивается, поэтому сердечник ротора может быть изготовлен из не шихтованного материала — стального массива

В двухполюсных (р = 1) и ряде четырехполюсных

(p = 2) СМ обмотка возбуждения укладывается в пазах, которые фрезеруются в массивном теле ротора.

Она закрепляется в них немагнитными клиньями из дюралюминия или титана. Клинья препятствуют выступанию обмотки в зазор под действием центробежных сил, возникающих при вращении ротора. Ротор подобной конструкции называется

неявнополюсным

В синхронных машинах с числом полюсов больше двух применяется явнополюсная конструкция ротора.

Катушки обмотки возбуждения (ОВ) размещаются на сердечнике полюса прямоугольного сечения, имеющем на стороне, обращенной к статору, полюсный наконечник, воспринимающий при вращении центробежные силы от ОВ.

На противоположной стороне сердечника полюса имеются хвостовики различной формы для крепления полюса к остову ротора.

Из-за сложной конфигурации сердечник полюса по технологическим причинам набирается из отдельных штампованных пластин из конструкционной стали толщиной 1,5-2 мм. Неизолированные пластины после прессовки стягиваются заклепками, проходящими через специальные отверстия, вырубленные при штамповке

Магнитное поле и электромагнитные параметры обмотки возбуждения

МДС обмотки возбуждения на один полюс

Амплитуда основной гармоники поля возбуждения

коэффициент формы поля возбуждения

Поток основной гармоники поля возбуждения

продольной осью полюсов машины

магнитное поле возбуждения в воздушном зазоре неявнополюсной машины

ширина открытия паза по сравнению с размером зазора невелика, а число пазов ротора велико, поэтому влияние пазов также невелико, и можно считать, что кривая распределения индукции поля возбуждения вдоль зазора имеет вид трапеции Амплитуда основной гармоники этого поля (кривая 2)

-коэффициент формы поля возбуждения неявнополюсной СМ

обмотка возбуждения неявнополюсной машины является распределенной, поэтому ее собственную индуктивность от поля в зазоре необходимо рассчитывать по формуле

или как раньше, но с учетом

Магнитное поле и электромагнитные параметры обмотки якоря

При нагрузке обмотки якоря синхронной машины током она создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря.Это поле, как и в машинах постоянного тока, неподвижно по отношению к полюсам индуктора и в пределах каждого двойного полюсного деления ориентировано в направлении линии раздела токов якоря. Направление этого поля по отношению к полюсам индуктора, то есть характер реакции поля якоря определяется углом сдвига между током якоря и ЭДС.

Рис а). При таком положении ротора, ЭДС фазы А максимальна ( ток в этой фазе тоже) и поток реакции якоря действует по поперечной оси. Такой характер поля реакции якоря сохраняется при любом положении вращающегося ротора, так как ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно.

Реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

Если ток отстает от ЭДС на 90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис.а) на четверть периода позднее, когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке. Токи фаз на рис. б имеют такие же значения, как и на рис. а, вследствие чего и ориентация магнитного потока якоря в пространстве является такой же.

При отстающем токе реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения чисто размагничивающей (продольная размагничивающая реакция якоря).

Если ток опережает ЭДС на 90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис.а) на четверть периода раньше и в этот момент времени ротор занимает положение, повернутое на 90° против направления вращения.

При опережающем токе реакция якоря также действует по продольной оси, но является по отношению к полю возбуждения чисто намагничивающей, то есть она увеличивает поток по продольной оси машины (продольная намагничивающая реакция якоря).

При значениях угла отличных от рассмотренных ранее, магнитное поле якоря будет произвольно ориентировано по отношению к осям симметрии ротора. Анализ такой картины магнитного поля якоря, весьма затруднителен по причине магнитной несимметрии последнего. Для упрощения анализа одно такое сложное асимметричное поле удобнее представить двумя симметричными магнитными полями, ориентированными по осям магнитной симметрии ротора - d и q

Это метод, или теория, двух реакций

Вектор тока представляется двумя составляющими так чтобы одна из них совпадала по направлению с вектором ЭДС, а другая была ортогональна ему

Продольный и поперечный токи создают продольную и поперечную МДС с амплитудами

Их можно рассматривать как составляющие полной МДС якоря по осям

Если бы величина зазора была по всей окружности одинакова и равна его значению под серединой полюсного наконечника, то эти МДС создали бы синусоидальные пространственные волны магнитного с амплитудами