Устройство синхронной машины

Конструкция ротора. В синхронной машине применяют две различные конструкции ротора:

1. неявнополюсные – с неявно выраженными полюсами машины большой мощности при = 1500 и 3000об/мин

2) явнополюсные, у которых полюсы выражены явно, число пар полюсов .

1- сердечник ротора, 2-обмотка возбуждения

В полюсных наконечниках синхронных двигателей с явнополюсным ротором размещают стержни пусковой обмотки.

1-полюсы ротора, 2-короткозамыкающие кольца, 3-стержни «беличьей клетки», 4-полюсные наконечники

Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней применяют и в синхронных генераторах; ее называют демпферной (успокоительной) обмоткой, т.к. она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то при пуске и переходных режимах в них возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкнутой обмотке.

Питание обмотки возбуждения.

Различают две системы: самовозбуждение и независимого возбуждения.

При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины, или отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращении синхронным двигателем или асинхронным.

1 –обмотка якоря, 2 – ротор генератора, 3- обмотка возбуждения, 4- кольца, 5- щетки, 6- регулятор напряжения, 7- возбудитель, 8- выпрямитель.

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через выпрямитель. Мощность, необходимая для возбуждения, сравнительно небольшая и составляет 0,3 –3 % от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудитель – небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя.

Регулирование осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, но в машинах небольшой мощности применяется регулировка и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.

Если необходимо форсировать возбуждение генератора, то повышают напряжение возбудителя или увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

Работа синхронного генератора при холостом ходе

Х.х. СГ – такой режим работы, при котором ток в обмотке якоря (статора) равен нулю. Следовательно, при х.х. магнитное поле генератора создается только МДС обмотки возбуждения.

Это поле состоит из двух полей: основное поле, магнитные линии которого проходят через воздушный зазор и сцепляются с обмоткой статора; поле рассеяния полюсов, магнитные линии которого сцепляются только с обмоткой возбуждения. Основному полю соответствует поток в воздушном зазоре Ф, который при вращении полюсов наводит в обмотке якоря ЭДС (важно, чтобы эта ЭДС была приближена к синусоиде, особенно для машин большой мощности).

Первая гармоническая ЭДС определяется как и для асинхронной машины, гдеи- число витков в фазе и обмоточный коэффициент обмотки якоря,-поток первой гармоники магнитного поля возбуждения.

Характеристика холостого хода. При небольшом токе возбуждения магнитный поток мал и стальные участки магнитопровода не насыщены. В этом случае магнитный поток определяется только магнитным сопротивлением воздушного зазора между ротором и статором, а характеристика х.х. или имеет вид прямой линии.

При возрастании потока увеличивается магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода. При индукции стали 1,7 – 1,8 Тл магнитное сопротивление возрастает и характеристика х.х. становится нелинейной. Номинальный режим синхронного генератора приблизительно похож на «колено» кривой характеристики x.x., при этом коэффициент насыщения составляет 1,1 – 1,4 ( ).

Такой же вид имеет магнитная характеристика Ф=f(F_в).

Расчет магнитной цепи машины для различных значений потока Ф, а следовательно, ЭДС – воздушный зазор, зубцовый слой статора, ярмо статора, полюса (зубцовый слой ротора для неявнополюсной машины), ярмо ротора. Зная сечения этих участков, определяют индукцию в них. По кривым намагничивания для различных сортов стали находят напряженность поля Н. умножив Н на l находим магнитные напряжения, сумма которых определяет МДС обмотки возбуждения. Наибольшая МДС в воздушном зазоре 86-92% от суммарной МДС при Е_о=U_н.

Для облегчения математического анализа работы СМ не учитывают нелинейность кривой х.х. – прямая 1 соответствует работе машины при отсутствии насыщения, прямая 2 - учитывает среднее насыщенное состояние магнитной цепи М.

В теории СМ используют систему относительных единиц. Основные параметры (I - ток, U - напряжение, Р - мощность , R-сопротивление) выражают в долях соответствующей базисной величины. В качестве базисной величины при построении характеристики х.х. принимают U_ном машины и I_вo , при котором ЭДС . При этом относительное значение ЭДС и тока возбуждения;.

Характеристики х.х. в о.е. для различных СГ при неодинаковых коэффициентах насыщения совпадают. Поэтому характеристику х.х. в о.е. можно принимать единой для всех генераторов; разница в базисных единицах и коэффициентах насыщения.

Форма кривой напряжения.

Напряжение, индуцированное в обмотке якоря при х.х., должно быть синусоидальным. Чтобы получить кривую напряжения, близкую к синусоидальному, желательно иметь в машине синусоидальное распределение магнитного поля.

Для этого в неявнополюсной машине обмотку возбуждения распределяют так, чтобы были уменьшены амплитуды МДС высших гармонических (как в АМ). В явнополюсных машинах это достигается путем увеличения зазора под краями полюсных наконечников.

Обмотку якоря выполняют распределенной с укороченным шагом (у) Чтобы исключить третьи гармонические токи и уменьшить потери мощности в машине, обмотку якоря в трехфазных генераторах соединяют по схемеY. (Укорачивать больше шаг нерационально, т.к. при существенно снижена первая гармоника.)

Это позволяет на выходе машины получить синусоидальное ЭДС, поэтому далее рассматривается поток только первой гармоники магнитного поля . Поток первой гармоники магнитного поля возбужденияФ_В называют потоком возбуждения или потоком взаимоиндукции.

Магнитное поле возбуждения характеризуется рядом коэффициентов, с помощью которых реальное распределение индукции в воздушном зазоре приводится к синусоидальному.

- коэффициент формы кривой поля возбуждения: - отношение амплитуды первой гармоникииндукции поля возбуждения в воздушном зазоре к амплитудеB действительного распределения этой индукции.

- коэффициент потока возбуждения: - отношение потока Ф создаваемого обмоткой возбуждения в воздушном зазоре, к потоку первой гармоники Ф_в этого поля (потоку взаимной индукции)

Для неявнополюсной машины

При распределении обмотки по пазам и зависят только от относительной длины γ обмотанной части полюсного деления ротора τ, т.е. от коэффициента полюсного перекрытия γ

Для явнополюсной машины.

Форма распределения магнитного поля и коэффициент зависят от коэффициента формы воздушного зазора (он неравномерный).