2.1.9. Синхронные машины трехфазного переменного тока
Электрические машины переменного тока, у которых между частотой генерируемого или потребляемого тока и частотой вращения ротора имеется жесткая взаимосвязь, называются синхронными. На статоре генератора расположены полюса с обмоткой возбуждения, которые создают магнитный поток Ф. На роторе расположены три фазы обмотки якоря, витки обмоток каждой фа-
зы смещены в пространстве относительно друг друга на угол 23π . Провода нача-
ла обмоток фаз А, В и С соединены с соответствующими контактными кольцами, а провода концов обмоток А', В' и С' – с одним общим кольцом нейтрали 0.
Если ротор вращается со скоростью n оборотов в минуту, то в каждой из фаз индуктируются ЭДС
E0 = cEФвn ,
где сЕ – постоянная, зависящая от конструктивного исполнения машины; Фв – магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения.
Форма скосов у полюсов выполнена таким образом, что кривая изменения магнитного потока Фв в каждой фазе близка к синусоиде.
Мгновенные значения ЭДС в каждой фазе еА, еВ, еС сдвинуты относительно друг друга на угол 23π . При симметричном расположении векторов сумма их
мгновенных значений равна нулю.
Генераторы отечественной постройки выполнены с неподвижным якорем и вращающимися полюсами. На статоре расположена 3-фазная обмотка якоря, ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током через два контактных кольца с токосъемными щетками. Постоянный ток для питания обмотки возбуждения подается от внешнего источника, которым может быть генератор постоянного тока, приводимый в действие либо от другого приводного механизма, либо от вала синхронного генератора. В настоящее время наиболее распространено питание обмотки возбуждения от сети переменного тока через выпрямитель.
Синхронные генераторы применяются на рефрижераторном подвижном составе, на вагонах-электростанциях и на пассажирских вагонах. В отличие от подвагонных генераторов генераторы рефрижераторного подвижного состава и вагонов-электростанций приводятся во вращение от дизельного двигателя при
29
постоянной частоте вращения, что обеспечивается специальным регулятором. Поэтому изменение напряжения может быть обусловлено только током нагрузки. Характеристики холостого хода синхронных генераторов аналогичны характеристике генератора постоянного тока.
При протекании по обмотке якоря 3-фазного тока нагрузки Iя создается магнитодвижущая сила, МДС якоря Fя, которая приводит к возникновению потока якоря Фя , который в машине с вращающемся магнитным полем вращается в пространстве с той же скоростью, что и поток возбуждения ФВ ротора, то есть эти потоки взаимно неподвижны. То же явление мы имеем в машине с неподвижным магнитным полем, у которой Фя вращается в направлении, противоположном вращению ротора, и остается неподвижным в пространстве, как и поток полюсов статора. Именно поэтому данные машины называются синхрон-
ными.
Поток якоря Фя индуктирует в обмотке якоря ЭДС ЕЯ, таким образом результирующая ЭДС Е будет равна:
Е = Е0 + ЕЯ .
Вектор МДС якоря FЯ можно представить двумя составляющими – продольной FЯd = FЯ sinψ и поперечной FЯq = FЯ cosψ , которые создают
соответствующие магнитные потоки, индуктирующие ЭДС Еd и Eq . Напряжение генератора определяется выражением:
U = Е0 + Еd + Eq − IЯrЯ .
По своей природе Еd и Eq – это ЭДС самоиндукции, вызванные соответствующими составляющими тока якоря:
U = E0 − jI d xd − jI q xq ,
где хd и хq – полные сопротивления обмотки якоря по продольной и поперечной осям, в основном это индуктивные сопротивления.
На основании зависимости построена векторная диаграмма синхронного генератора.
Из диаграммы видно, что напряжение U зависит не только от тока Iя, но и от угла его сдвига фаз ϕ относительно напряжения, то есть от характера нагруз-
30
ки. Проблема обеспечения неизменного напряжения решается компаундными машинами со встроенным или внешним стабилизатором напряжения.
2.1.10.Синхронные генераторы с неподвижным магнитным полем
ивстроенным стабилизатором напряжения
Синхронный генератор со стабилизатором типа DGB состоит из двух машин – генератора и стабилизатора, размещенных в одном корпусе.
Роторы генератора и стабилизатора расположены на одном валу, на роторе каждой машины имеются по две обмотки – 3-фазная обмотка якоря генератора, обмотка постоянного тока возбудителя генератора, 3-фазная обмотка стабилизатора и обмотка возбудителя стабилизатора. На общем валу расположены контактные кольца и коллекторно-щеточный узел. На статоре машины имеются полюса генератора и полюса стабилизатора, на полюсах генератора имеется обмотка возбуждения, в цепь обмотки возбуждения включен установочный реостат, полюса стабилизатора обмоток не имеют. Такую машину называют еще генератор с компаундным стабилизатором неподвижного магнитного поля.
Обмотки якорей соединены в каждой фазе последовательно-встречно, то есть начало фазы генератора соединено с концом фазы стабилизатора. Концы фаз генератора и нулевая точка звезды стабилизатора выведены на контактные кольца. Обмотки постоянного тока возбудителя генератора и стабилизатора соединены последовательно и выведены через коллектор на щетки.
При вращении ротора генератора за счет остаточного магнитного поля полюсов генератора в обмотке возбудителя индуктируется ЭДС Ев, под действием которой в цепи обмотки возбуждения протекает ток возбуждения Iв и создается магнитный поток возбуждения Фв. В режиме холостого хода – при отключенной нагрузке процесс самовозбуждения генератора происходит так же, как и у генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. Одновременно в 3-фазной обмотке ротора генератора 4 индуктируется ЭДС холостого хода Е0. Ток возбуждения Iв, а следовательно, и Е0 могут регулироваться установочным реостатом. Стабилизатор не принимает участия в процессе самовозбуждения и не влияет на работу генератора в режиме холостого хода.
После подключения на клеммы генератора нагрузки в обмотках якоря протекает ток нагрузки IЯ = IН, который создает магнитный поток реакции якоря. В обмотке якоря создаются составляющие падения напряжения Idxd и Iqxq,
31
которые при активно-индуктивной нагрузке уменьшали бы напряжение генератора U, но этому препятствуют электромагнитные процессы, протекающие в стабилизаторе.
В 3-фазной обмотке стабилизатора протекает ток IСТ = IН, который создает относительно ротора вращающееся магнитное поле с синхронной частотой f = pn/60. Так как ротор тоже вращается с синхронной частотой, но в обратном направлении, то магнитный поток стабилизатора ФСТ будет неподвижен в пространстве. Магнитный поток реакции якоря стабилизатора создает индуктивное падение напряжения, составляющими которого являются IdxdСТ и IqxqСТ, которые равны по величине составляющим падения напряжения генератора вследствие равенства токов, но сдвинуты на 180о, так как обмотки включены встречно. Таким образом, ЭДС стабилизатора компенсирует падение напряжения в обмотке генератора:
U = E0 − jId (xd − xdсс ) − jIq (xq − xqсс ) .
Продольная составляющая магнитного потока реакции якоря стабилизатора ФСТd индуктирует в обмотке возбудителя стабилизатора 10 добавочную ЭДС возбуждения ∆ЕВ, ток возбуждения возрастает на ∆IВ, магнитный поток – на ∆ФВ и ЭДС генератора на ∆Е0, при этом
Е0 = Е00 + ∆Е0 ,
где Е0 – суммарная ЭДС генератора и стабилизатора; Е00 – ЭДС холостого хода генератора.
Параметры стабилизатора выбираются из условия равенства напряжения генератора номинальному значению при номинальной нагрузке и коэффициенте мощности cosϕ = 0,8.
2.1.11.Синхронный генератор вращающегося магнитного поля
скомпаундным стабилизатором
Синхронный генератор с компаундным стабилизатором вращающегося магнитного поля DGCI имеет две 3-фазные обмотки якоря, расположенные на статоре.
Основная обмотка служит для питания потребителей, а вспомогательная
– для питания основной обмотки возбуждения через выпрямитель, щетки и
32
контактные кольца. Ротор генератора выполнен в виде постоянного магнита, на котором расположены основная и вспомогательная обмотки возбуждения.
На статоре стабилизатора также расположены две 3-фазных обмотки, основная обмотка соединена последовательно и встречно с основной обмоткой якоря генератора. Вспомогательная обмотка служит для питания вспомогательной обмотки возбуждения через выпрямитель, щетки и контактные кольца. В цепи обмоток возбуждения включены регулировочные реостаты. Ротор стабилизатора представляет собой постоянный магнит и не имеет обмоток возбуждения. Роторы генератора и стабилизатора насажены на общий вал и повернуты относительно друг друга на 90о.
Процесс самовозбуждения протекает так же, как и у генератора постоянного тока параллельного возбуждения, особенность заключается в применении постоянных магнитов, так как из-за нелинейности характеристики диодов начальной ЭДС от остаточного намагничивания недостаточно для открытия выпрямительного моста и протекания тока возбуждения. По завершению процесса самовозбуждения в основной обмотке индуктируется переменная ЭДС Е0, которую можно регулировать реостатом.
После подключения нагрузки электромагнитные процессы в генераторе и стабилизаторе протекают аналогично генератору DGB, и описываются уравнением и соответствующей векторной диаграммой.
Особенностью данного генератора является обеспечение большего постоянства внешней характеристики при различных значениях cosϕ нагрузки. Это достигается тем, что роторы генератора и стабилизатора повернуты относительно друг друга на 90о. В результате при активно-индуктивной нагрузке в стабилизаторе возникает поперечная составляющая магнитного потока ФСТq, которая совпадает по направлению с потоком постоянного магнита стабилизатора, это приводит к увеличению тока возбуждения IВ генератора по сравнению с активной нагрузкой. Аналогично происходит уменьшение подмагничивания при активно-емкостной нагрузке. Для регулирования внешней характеристики служит реостат в цепи дополнительной обмотки возбуждения стабилизатора. Выводы вспомогательной обмотки возбуждения служат для выравнивания нагрузок генераторов при параллельной их работе.
33