§ 6.3. Возбуждение синхронных машин

В зависимости от способа создания основного магнитного потока синхронные машины разделяются на машины с электромагнитным возбуждением и машины с возбуждением от постоянных магнитов. Машины с электромагнитным возбуждением имеют на роторе обмотку возбуждения. В зависимости от способа питания этой обмотки постоянным током различают синхронные машины с независимым возбуждением и машины с самовозбуждением. В машинах с независимым возбуждением обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока, возбудителя, в качестве которого применяется генератор постоянного тока, приводимый во вращение общим с синхронным генератором первичным двигателем,

В синхронных машинах с самовозбуждением обмотка возбуждения синхронного генератора питается через выпрямитель (рис. 6.4). Первоначальное возбуждение этих генераторов обеспечивается за счет остаточного магнетизма полюсов ротора.

В синхронных машинах с возбуждением постоянными магнитами нет обмотки возбуждения, а полюсы ротора выполняются в виде постоянных магнитов. В этом случае конструкция машины значительно упрощается. Однако серьезным их недостатком является трудность регулирования напряжения.

В синхронных машинах большой мощности применяется независимое возбуждение. Независимое возбуждение и возбуждение от постоянных магнитов применяется в машинах средней и особенно малой мощности.

§ 6.4. Электродвижущая сила синхронных генераторов

Электродвижущая сила, наводимая в обмотках синхронных генераторов, должна быть практически синусоидальной. Для этого необходимо, чтобы форма кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности якоря была также по возможности синусоидальной. Это достигается в явнополюсных машинах приданием определенной формы полюсным наконечникам, а в неявнополюсных машинах — соответствующим распределением обмотки возбуждения по поверхности сердечника ротора.

В проводнике при пересечении его магнитным полем полюсов мгновенное значение э. д. с. .

В витке, имеющем две активные стороны с расстоянием между ними, равным полюсному делению (), величина э. д. с. .

Среднее значение э. д. с. в витке определяется из отношения. .

Для получения действующего значения э. д. с. надо учесть коэффициент формы кривой поля, представляющей собой отношение действующего значения магнитной индукции В к ее среднему значению , . Для синусоидальной кривой .

Тогда уравнение среднего значения э. д. с. в витке примет вид

. (6.2)

Окружная скорость вращения ротора

,

где , а.

Подставляя в (6.2) значение скорости, получаем

.

Здесь , а , откуда

.

Однако для получения большей э. д. с. обычно берется не один, а много последовательно соединенных витков, образующих катушку.

По виду исполнения обмотки синхронных машин могут быть сосредоточенными или распределенными. У сосредоточенной обмотки активные стороны катушки укладываются в два паза, симметрично расположенных в отношёнии полюсов (рис. 6.5, а). Все витки этой обмотки находятся в равных условиях и э. д. с. во всех витках одинаковы и равны алгебраической сумме отдельных э. д. с. Поэтому э. д. с. сосредоточенной обмотки (q= 1) с полным шагом () при витках определяется уравнением

. (6.3)

Практически обмотки синхронных машин выполняются с распределенной обмоткой (q>1). На рис. 6.5, б показана распределенная обмотка с полным шагом, имеющая число катушек на пару полюсов (число пазов на полюс) q=3. Мгновенные значения э. д. с., наводимых в катушках, будут сдвинуты относительно друг друга по фазе на некоторый угол, поэтому суммарная э. д. с. обмотки будет равна не алгебраической, а геометрической сумме э. д. с. Отношение геометрической суммы э. д. с. распределенной обмотки к э. д. с. в сосредоточенной обмотке с тем же числом витков называется коэффициентом распределения обмотки . На рис. 6.6 показана векторная диаграмма э. д. с. распределенной обмотки. Так как катушечная группа занимает лишь часть пазов, то векторная диаграмма имеет вид неполной звезды пазовых э. д. с. Векторы 1, 2, 3 соответствуют э. д. с. катушек (рис. 6.6,а). При последовательном соединении катушек векторы э. д. с. складываются геометрически (рис. 6.6, б) и отрезок ОА дает действующее значение результирующей э. д. с. трех катушек (рис. 6.6, в). На диаграмме (рис. 6.6, в) масштаб векторов э. д. с. уменьшен вдвое по сравнению с векторами на рис. 6.6, б.

При распределенной обмотке э. д. с. несколько уменьшается и при полном шаге обмотки определяется уравнением

.

Выше рассматривались обмотки синхронных машин с полным шагом (). Чаще обмотки машин переменного тока выполняются с укороченным шагом, что позволяет улучшить форму кривой э. д. с. Укорочение шага обмотки приводит к некоторому уменьшению величины э. д. с. витка, так как э. д. с. в активных сторонах витка будут достигать амплитудных значений не одновременно. Умёньшение величины э. д. с. витка при укорочении шага обмотки учитывается коэффициентом укорочения шага.

Таким образом э. д. с. распределенной обмотки с укороченным шагом

,

где — обмоточный коэффициент (=0,9—0,96).