330
Неявнополюсные роторы (рис.18.16) имеет распределенную обмотку возбуждения, уложенную в пазы цельной стальной поковки. Применяют такие роторы в больших генераторах и двигателях.
N |
Полюсные |
|
|
|
наконечники |
|
|
Д< 12м |
S |
S |
|
|
|
N |
|
|
|
м |
Рис. 18.15 |
|
|
|
< |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
т |
|
|
|
о |
|
|
|
L |
|
|
|
|
р |
|
Рис. 18.16 |
|
|
|
|
Число пар полюсов ротора и статора одинаково. Число оборотов в минуту связано с частотой тока и числом пар полюсов:
Для гидроэлектростанции диаметр ротора может составлять Д = 12м, длина L=2,5 м, число пар полюсов 2p=42 (p=21), n=143 об/мин. При
этом частота тока f |
143 21 |
50Гц . |
|
|
|
60 |
|
|
|
|
Мощность источника постоянного напряжения (ИПН) для обмотки возбуждения составляет 1 3% от Pген.
18.14.Принцип действия синхронного генератора
Всинхронном генераторе обмотка возбуждения ротора создает магнитное поле. Ротор вращается под действием внешнего привода (двига-
тель, гидротурбина) с частотой n2 оборотов в минуту.
Силовые линии магнитного поля ротора (основного поля) возбуждают в трехфазной обмотке статора синусоидальные ЭДС e0 A ,e0B ,e0C ,
сдвинутые по фазе на 120 . Направление ЭДС определяют по правилу правой руки.
Частота ЭДС: f |
pn2 |
, |
n |
– частота вращения ротора, p – число |
|
|
60 |
|
2 |
|
|
|
|
|
пар полюсов.
Если к обмоткам статора подключить симметричный активный приемник, то возникнут токи i0 A ,i0B ,i0C , которые создадут вращающееся
магнитное поля статора (ВМП).
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
331
Частота вращения поля статора: |
n1 |
60 f |
|
60 pn2 |
n2 |
. В этом |
|
p |
|
60 p |
|
|
|
|
|
|
|
|
заключается смысл синхронности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обмотки |
|
|
|
|
|
|
|
|
статора |
|
|
|
|
|
A |
C |
|
|
B |
|
Поле |
|
|
|
|
Sa |
|
|
статора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мэм |
|
|
Обмотка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
x |
|
|
ротора |
|
|
|
x |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N0 |
|
0 |
|
S0 |
|
|
|
B0 |
|
|
S |
x |
|
|
B0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ротора |
|
|
|
|
Na |
|
|
|
|
|
|
Рис. 18.17
ВМП статора воздействует на проводники ротора и вызывает тормозящий электромагнитный момент Мэм. В установившемся режиме электромагнитный момент равен вращающему моменту первичного двигателя
(Мэм=Мвращ.).
Ориентация магнитного статора в пространстве зависит от характера нагрузки и определяется углом сдвига фаз между ЭДС E0 и током I0
.
Sрез
S0 |
Полюсы ротора |
N0 |
Bрез |
|
Рис. 18.18 |
Nрез |
|
Сложение ВМП статора и поля ротора дает результирующее поле, сдвинутое в пространстве на угол относительно оси полюсов ротора.
Угол называют угол рассогласования.
В генераторе полюса ротора являются ведущими, тянущими за собой результирующее поле.
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
|
|
|
332 |
|
|
|
|
|
|
|
18.15. Уравнение электрического состояния и схема замещения фазы |
|
синхронного генератора |
|
|
|
|
В фазной обмотке |
статора |
синхронного генератора основное маг- |
нитное поле ротора индуцирует ЭДС взаимной индукции: |
|
|
e0 t |
|
d 0 |
t |
0m cos t |
|
|
(18.28) |
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с действующим значением |
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
2 f |
0m |
4,44 f |
0m |
, |
|
|
(18.29) |
0 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где 0m - амплитуда потокосцепления поля ротора с обмоткой ста- |
|
|
тора. |
|
|
|
|
|
|
|
E0 |
|
|
Характеристикой |
холостого |
хода |
|
|
синхронного генератора называют зависи- |
|
|
мость напряжения на зажимах генератора |
|
|
E0 в режиме холостого хода от тока воз- |
|
|
буждения ротора |
I р (рис.18.19). Эта зави- |
|
|
симость повторяет кривую намагничивания |
Рис. 18.19 |
Iр |
B( H ) |
и позволяет оценить |
насыщение |
|
магнитопровода. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Токи трехфазной обмотки статора создают ВМП. Результирующее |
потокосцепление с фазой обмотки статора: рез |
|
о |
а , где а - по- |
токосцепление магнитного поля токов статора с фазой обмотки статора, |
которое наводит в обмотке статора ЭДС самоиндукции eа t |
d а t |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
Результирующая ЭДС статорной обмотки: |
|
|
|
|
|
В е к т о р н а я д и а г р а м м а с т а т о р н о й о б м о т к и
Векторную диаграмму тока и напряжений в статорной обмотке (рис.15.20) строим в следующем порядке:
1.Строим с произвольной фазой вектор потокосцепления основного магнитного поля 0 .
2.Строим Ео , наводимую в фазной обмотке статора и отстающую от 0 на 90о.
3.Считая нагрузку статора индуктивной, строим Iст .
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
333
|
|
|
|
E0 |
EA |
|
|
a || I |
|
|
|
|
Eрез |
|
СТ |
рез |
|
φ |
IСТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 18.21 |
|
|
|
|
|
|
|
4.Строим вектор потокосцепления магнитного поля токов статора с фазной обмоткой статора а|| Iст .
5.Строим ЭДС самоиндукции статора Еа .
6. Строим результирующее потокосцепление рез |
0 |
а . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
Строим |
|
результирующую |
ЭДС |
статорной |
|
обмотки |
Е рез |
E0 |
Еа . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Направление рез (результирующего поля) отстает от о (основно- |
|
|
|
|
|
го поля) на угол рассогласования . Результирующая ЭДС Е рез |
|
также от- |
стает от E0 |
на угол |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С х е м а з а м е щ е н и я ф а з ы о б м о т к и с т а т о р а |
|
В обмотке статора действует результирующая ЭДС Е рез |
|
E0 |
Еа . |
Сопротивление обмотки статора считаем активным и равным |
R . |
Схема |
|
замещения фазы обмотки статора показана на рис. 18.21. |
|
|
|
R |
I |
|
По |
второму |
закону |
Кирхгофа: |
|
|
|
U |
RI E0 |
Ea . |
|
|
|
|
E a |
|
|
По теореме замещения заменим Ea |
jX I |
|
|
падением напряжения на индуктивном сопротивле- |
|
|
|
|
|
U |
нии |
обмотки |
X . Это сопротивление X называют |
|
E 0 |
|
синхронным индуктивным сопротивлением. Обычно |
|
|
R |
X , тогда E0 U |
jX I . |
|
|
|
Рис. 18.21 |
|
Получили вторую схему замещения фазы ге- |
|
нератора (рис.18.22). Векторная диаграмма для этой |
|
|
|
|
|
|
схемы показана на рис.18.23. |
|
|
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
334
I
I
Внутреннее сопротивление синхронного генератора имеет индуктивный характер. Вектор Ео опережает U на угол .
18.16. Внешние характеристики синхронных генераторов
Внешние характеристики определяют зависимости напряжения на выходе генератора от тока нагрузки. На рис.18.24 показаны внешние характеристики для активной и индуктивной нагрузки. Изменение напряжения может составлять несколько десятков процентов. Для стабилизации напряжения применяют автоматические стабилизаторы тока возбуждения
Iвозб , реагирующие на значение U . При резком увеличении активного
тока статора ротор тормозится, снижается напряжение и частота. Важным показателем исправности энергосистем является частота сети (
f 49,9Гц ).
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
335
|
|
А |
В |
С |
U |
|
ia |
ib |
ic |
E0 |
cos 1 |
|
|
Статор |
|
|
|
|
cos 1 |
Вал |
ОВ |
ИПН |
|
|
|
(инд) |
|
|
|
|
|
|
I |
|
Ротор |
|
|
|
Рис. 18.25 |
Рис. 18.24 |
нагрузки |
|
18.17. Принцип действия и особенности работы синхронного двигателя
Схема синхронного двигателя показана на рис.18.25. Обмотки статора синхронного двигателя (СД) подключены к трехфазной цепи и создают
ВМП с частотой n |
60 f |
. Ток возбуждения обмоток ротора создает по- |
|
1 |
p |
|
стоянное магнитное поле (МП). Взаимодействие ВМП статора и МП ротора создает вращающий электромагнитный момент. Ротор вращается с ча-
стотой n |
|
60 f |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если есть момент сопротивления |
Mc 0 , ось магнитного поля ротора |
смещается на угол в сторону отставания (рис.18.26). |
|
В установившемся режиме момент сопротивления Mc |
Mэм , |
|
M эм |
|
М |
Р |
|
3ЕоU sin |
|
Mmax sin , |
(18.31) |
|
|
1 |
|
1 X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
2 n1 |
- угловая скорость ВМП статора, |
|
|
|
|
1 |
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Mmax |
|
3EoU |
. |
(18.32) |
|
|
|
|
|
|
|
|
1X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
337
У г л о в ы е х а р а к т е р и с т и к и с и н х р о н н о г о д в и г а т е л я
Это зависимости электромагнитной мощности Р или электромагнитного момента М от .
Полная активная мощность трехфазного СД:
|
P 3UI cos |
3EoU |
sin |
Pmax sin . |
(18.34) |
|
X |
|
|
|
|
|
Электромагнитный момент:
M эм |
P |
|
3EoU |
sin |
Mmax sin . |
(18.35) |
1 |
|
X 1 |
|
|
|
|
|
Перегрузочная способность двигателя определяется коэффициентом:
max |
Mmax |
1 |
, |
(18.36) |
Mном |
|
sin |
|
|
|
|
который зависит от напряжения сети и тока возбуждения ротора. Номинальный момент Mном соответствует углу рассогласования 300 . По-
этому 2 .
Синхронный двигатель обладает свойством саморегулирования. При изменении момента сопротивления на валу изменяется угол рассогласования и электромагнитный момент становится равным моменту сопротивления. При этом изменяется активная мощность и ток статора. Зависимости мощности и момента синхронного двигателя от угла рассогласования называют угловыми характеристиками (рис.15.28). На нисходящих ветвях работа неустойчивая и невозможна. С увеличением тока ротора, магнитное поле становится сильнее и угол согласования уменьшается. Если момент
сопротивления Mc Mmax , ротор остановится, увеличится ток статора и произойдет перегрев двигателя.
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
338
П у с к с и н х р о н н о г о д в и г а т е л я
При запуске синхронного двигателя быстровращающееся ВМП статора действует на неподвижный инерционный ротор со знакопеременной силой и не может разогнать его.
Для предварительного разгона применяют короткозамкнутую обмотку типа «беличье колесо».
После асинхронного разгона обмотку возбуждения ротора подключают к источнику постоянного напряжения (ИПН) и двигатель переходит в синхронный режим.
18.18. Синхронные микродвигатели
Применяют в автоматических устройствах для приводов механизмов с постоянной частотой вращения. Мощность микродвигателей составляет от долей до сотен Вт. Эти двигатели не имеют обмотки возбуждения на роторе.
Взависимости от типа ротора различаются микродвигатели:
с постоянными магнитами;
гистерезисные;
реактивные.
18.18.1.Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами
На рис.18.29 изображен ротор микродвигателя, который содержит постоянные магниты с большой коэрцитивной силой ( Hc 50кА / м ). В
полюсах ротора имеются стержни короткозамкнутой пусковой обмотки для разгона двигателя. Магниты залиты пластмассовой заливкой. ВМП статора вращает магнитный ротор с постоянной скоростью. Свойства и рабочие характеристики не отличаются от синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением.
Недостатком такого двигателя является высокая стоимость постоянных магнитов, выполняемых из редкоземельных материалов.
18.18.2.Гистерезисные двигатели
Вращающий момент возникает за счет явления гистерезиса при перемагничивании ротора. Магнитный материал ротора намагничивается и перемагничивается под действием ВМП токов статора.
На рис.18.30 полюс N намагнитил элементарную область ротора. При повороте ВМП за счет гистерезиса состояние намагниченности ротора сохраняется и возникает тангенциальная сила F, создающая гистерезисный
вращающий момент M Г и вращающая ротор.
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
339
N |
ВМП статора |
|
|
|
n1 |
|
|
S |
|
S |
N |
N |
|
|
|
N |
F |
|
Ротор |
|
|
n 1 |
|
|
|
|
n 1 |
Рис.18.30
В синхронном режиме момент сопротивления MC M Г , перемаг-
ничивания материала не происходит, и гистерезисный двигатель работает как синхронный двигатель с постоянными магнитами. При этом должно
быть Г 20o 25o .
Если MС M Г , ротор перемагничивается и двигатель переходит
в асинхронный режим. Этот режим не экономичен, так как потери на перемагничивание достаточно велики.
Энергетические показатели гистерезисных двигателей не очень высокие: КПД 50 60%, cos 0,4 0,6 .
18.18.3.Реактивные двигатели
Роторы реактивных двигателей выполняют из пакетов магнитомягкой листовой электротехнической стали, залитой алюминием (рис.18.31).
В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016
