Elektrotehnika_i_elektronika_2008

З 11 Глава 2. Электромагнитные устройства й алектрическив машины.

равлическими, паровыми, газовыми турбинами или, при меньшей мощности, — дизелями и двигателями внутреннего сгорания. Синхронные генераторы служат также источником автономного электроснабжения на транспорте, на передвижных электростанциях, на

строительных машинах и другой технике.

Синхронные двигатели применяют там, где требуется постоянство частоты вращения. Они находят широкое применение в качестве 'при-

вода прокатных станов на металлургических заводах, компрессоров

и насосов на газо - и. нефтеперекачивающих' станциях магистральных газопроводов, в промышленности строительных материалов.

Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их способность работать при токе, опережающим по фазе питающее напряжение. Такие двигатели называются синхронными компенеаторами и используются для улучшения параметров, в частности cos ф, электрических сетей. .

• Cпециaльные синхронные двигатели малой мощности используются в устройствах c программным управлением, самопишущих приборах и др.

2.5.2. Устройство синхронной машины

Синхронные машины независимо от назначения их использова-

ния состоят из двух основных .частей: неподвижного статора и вра - щающегося внутри него ротора. Ротор и статор разделены воздуш- ным, зазором. .

Cтатоp трехфазной. синхронной машины аналогичен статору

трехфазного асинхронного двигателя и содержит шихтованный ци

линдрическигй сердечник c пазами на внутренней поверхности, в которых располагаются фазы трехфазной обмотки статора

'(рис. 2.136,

нель.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который' образует магнитное поле, вращающееся вместе c ротором. На роторе располагается обмотка возбуждения, концы которой через специальные кольца на роторе и неподвижные графитовые щетки подсоединены к источнику постоянного тока, называемому возбудителем..

. Роторы синхронной машины бывают двух типов: с явно выра-

женными и неявно выраженными полюсами.

Роторы c явно выраженными полюсами (рис..2.136, б) применя- ются в сравнительно 'тихоходных машинах, число оборотов которых

не превышает 10.00 об/мин. Такие роторы, например, приводятся в

действие тихоходными водяными турбинами ГЭС. На 'полюсах та-

кого ротора размещаются катушки обмотки возбуждения. Y синх-

ронных двигателей c тактом ротором витки пусковой короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» закладываются в тело полю-

сов и по торцам замыкаются кольцами.

Ротор c неявно выраженными полюсами обладает повышенной динамической прочностью, так как выполняется из цельной стальной поковки цилиндрической формы (рис. 2.136, в}. На внёшней поверхности поковки фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Рис. 2.136, в. Общий вид неявнополюсного ротора

Необходимо отметить следующее. Синхронные машины проек-

тируют и изготавливают тек, чтобы. количёство полюсов магнитно-

го поля ротора и поля, создаваемого обмоткой статора, было одинаковым.

Поперечное сечение явнополюсного и неявнополю.сного ротора c обмоткой возбуждения показано на рис. 2.136, г.

Условные графические обозначения. синхронных машин c неяв-

но выраженными полюсами приведен на рис. 2 .136 д, a, c явно выраженными полюсами — на рис. 2.136, д, б.

З 15 'Глава 2. Электромагниинные устройства и электрические машины

Поскольку катушки отдельных фаз обмотки статора А—Х, В-- Y,

-С--Z имеют одинаковое число. витков. н -сдвинуты в пространстве по

окружности' статора сил% метрично, т. е. 0 , то и ЭДС каж=' 'на угол 124

дой фазы будут иметь одинаковые амплитуды и оказываются сдви

-нутымивовременидруготносительнодруганаэлектрическийугол

в 120° (рис: 2.138).

eA = ETA sin c)t,

Рис. 2.138. Схема расположения фаз обмотки статора и диаграмма наведенных ЭДС

При переходе генератора в режим работы c нагрузкой (на рис. 2.137 нагрузка сопротивлениeм ZH поцключаётся выключателем Q) по фазам обмотки статора потекут -тoки, которые создадут вращающееся магнитное поле статора:' Ось полюсов статора N -- S будет отставать от оси полюсов No — Во первичного магнитного поля ротора на угол рассогласования, 9 (рис. 2.139). B результате взаимодействия разноименных отстающих полюсов статора и опережающих полю-

сов ротора на ротор будет -действовать момент, направленный про-

тив его вращения, т. e, тормозной момент МТ. B установившемся' ре жиме тормозной момент уравновешивает вращающий момент приводного двигателя: М.. - п.дв•

Принцип действия двигателя. Принцип действия синхронного двигателя основан ,на явлении притяжения разноименных магнитных полюсов двух магнитных ;полей -` статора и ротора. Вращаю щееся магнитное поле статора с полюсами N и S образуется при питании фаз обмотки статора тремя токами от трехфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя. На рис. 2.140

Рис. 2.139. Взаимодействие магнитных полей в генераторе

Рис. 2.140. Взаимодействие магнитных полей в двигателе

показаны полюса магнитного поля статора, которые вращаются против хода часовой стрелки c постоянной частотой п о. Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора. Допустим, что ротор также получил частоту вращения п о в том же

направлении, что и поле статора. Тогда, очевидно, полюса ротора

No и So «сцепляются>> магнитными силами F с разноименными полюсами статора S и N и дальнейшее вращение ротора и магнитного поля статора будет происходить c одинаковыми скоростями, т. e. синхронно. .

317 • Глава 2. Електромагнитные устройства и электрические машины

Если на ротор не действует никакая нагрузка, т. e. момент сопротивления .на роторе М' = о, то оси магнитных полей статора и ро-

тора совпадают. - : .

Если же двигатель работает под . нагрузкой и на роторе имеется момент сопротивления М' ^ 0 от какого-либо механизма, то ось полюсов ротора сместится от оси полюсов статора в сторону отста-

вания на какой-то угол 9 (рис. 2.140).. Таким образом, магнитное

поле статора как бы «ведет» за собой поле ротора и сале ротор. Тан- генциальные составляющие Р магнйтньУх .сил F удерживают поля ротора и статора и создают вращающий .момент M, зависящий от

где R радиус ротора.

2.5.4.Реакция якоря в синxронной машине

всинхронном генераторе основное магнитное поле и основной. магнитный поток Ф создаются обмоткой ротора и если машина ра-

ботает без нагрузки c отключенной обмоткой статора, то в ней имеется только одно магнитное поле ротора и Ф = Ф0. Когда генератор

. работает под нагрузкой, ,то появляются токи в фазах обмотки ста-

'тора. Эти токи создают свое магнитное поле статора, которое мож- ,но разделить на две составляющие. Магнитный поток одной части поля охватывает проводники фаз обмотки статора, лежащие в па-

захсердечника,изамыкаетсяпосталистатораивоздушномузазо-

рy. На основное магнитное пале этот поток никакого влияния не оказывает и называется потоком рассеяиия статора Фs•

Магнитные силовые линии второй части поля статора замыка-

ются по стали статора, воздушному зазору и стали ротора. Естествен но, что эта часть магнитного потока, называемого просто потоком

статора Ф ' будет накладываться и взаимодействовать c магнитным потоком поля ротора Ф0. '

. Это явление -- взаимодействие магнитных полей ротора и стато-

ра генератора — называется реакцией якоря. B теории электрических машин обмотка, в которой ЭДС индуцируется основным магнитным

потоком, называется обмоткой якоря. Поэтому y синхронного генератора обмотка статора является обмоткой якоря. Вследствие это- 1

го результирующее магнитное поле мацГинь^ оказывается искажен - .

ным по . сравнению с полети холостого хода.

Реакция якоря синхронного генератора.сильно зависит от характера нагрузки, подключаемой к машине. Рассмотрим это явление

более подробно на примере отдельного подключения к генератору активной нагрузки, индуктивной нагрузки и емкостной нагрузки.

При активной нагрузке c сопротивлением R ЭДС еА фазы А--Х

обмотки статора и ее ток 1А совпадают по фазе и достигают макси-

319 Глава 2. Электрoмагнитные устройства й электрические машины

'При-чисто индуктивной нагрузке 'Х ток в фазе обмотки статора

(рис. 2.141, в). Магнитный. поток ,статора Фя в этом случае оказыва-

нии ротора против хода часовой стрелке с частотой п 0 токи в фазах обмотки статора будут иметь противоположное направление, чем в рассмотренном выше (рис. 2.141, а) случае c 'генератором. B этом случае ось q--q1 результируюгцего магнитного потока двигателя ФРЕз оказывается повeрнутой относительно оси т—т1 магнитного пото- ка ротора Ф0 на угол 9, но не против направления вращения ротора, как y генератора, a по направлению вращения.

Реакция якоря синхронной машины, особенно при ее работе . генератором, приводит :Нe только к изменению ФрЕз, но. и влияет на значения ЭДС фаз обмотки статора, что неблагоприятно сказыва-

ется на работе потребителей электроэнергии.

Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного .потока :статора за счет увеличения

воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.

2.5.5. Схема замещения й векторная диаграмма

фазы синхронного :гейератора.

в нагружённом синхронном генераторе, как было рассмотрено

выше, существуют три магнитных потока,: Ф0 -- основной поток ро-

тора, Фя — поток статора и Ф5 — поток рассеяния статора. Эти маг-

нитные потоки индуцируют в катушке : фазы соответственно три

ЭДС: Е0 — от магнитного потока ротора, • Ея — от потока статора и ЕS — от магнитного потока рассеяния. Следует отметить, что ЭДС Ея и Ев пропорциональны вызвавшему их току фазы статора I. По-