3. Синхронные машины

3.1. Устройство и принцип действия

Устройство синхронной машины (СМ) рассмотрено выше. Допустим, что возбужденный ротор СМ вращается с частотой n.С той же частотой вращается и создаваемый обмоткой возбужденный поток, который наводит в обмотке статора ЭДС. В трехфазной СМ фазные обмотки статора сдвинуты в пространстве на 120⁰, поэтому вращающийся поток возбуждения наводит ЭДС, сдвинутые по фазе во времени на 120⁰. Если к такой машине подключить симметричную трехфазную нагрузку, то в фазах обмотки статора будут протекать симметричная система токов. Они создают вращающееся магнитное поле статора с частотой вращения

, где частота токов в фазах.

В результате чего будем иметь , т. е. в данном случае поле ротора и статора вращаются синхронно, они неподвижны относительно друг друга и образуют результирующее поле, как в асинхронной машине (АМ). Но в отличие от АМ частота вращения ротора СМ жестко связана с частотой вращения поля статора. Следовательно, в СМ частота вращения ротора находится в строгом соотношении с частой сети.

3.2. Магнитное поле и основные параметры синхронной машины

3.2.1. Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения

При вращении возбужденного ротора, поток, создаваемый обмоткой возбуждения (ОВ) наводит в обмотке статора ЭДС. При холостом ходе машины эта ЭДС определяет напряжение на зажимах машины. ОВ создает поток, состоящий из основного потока и потока рассеяния ОВ(рис. 3.1).

Под основным потоком будем понимать поток, соответствующий первой гармоники поля. Это правомерно, так как наконечникам полюсов придают такое очертание, при котором кривая распределения поля в зазоре примерно синусоидальная. Кроме того, высшие гармоники можно существенно уменьшить путем соответствующего выбора укорочения шага. Третья гармоника и кратные ей подавляются путем соединения 3-х фазной обмотки в звезду.

Рассмотрим структуру магнитного поля при различных исполнениях ротора.

а) Явнополюсный ротор.

Действительная кривая распределения магнитного поля в воздушном зазоре имеет вид кривой 1, а первая гармоника – вид кривой 2 (рис. 3.2).

–максимальное значение действительной кривой распределения поля, а – амплитуда первой гармоники поля в воздушном зазоре. Отношениеназывают коэффициентом формы кривой поля в воздушном зазоре. Он зависит от величин,,.

При значениях ;;этот коэффициент.

Магнитодвижущия сила (МДС) обмотки возбуждения (ОВ) на полюс будет ,

где – число витков обмотки возбуждения.

Тогда максимальное значение индукции поля в воздушном зазоре

.

Здесь – удельная магнитная проводимость воздушного зазора,

–коэффициент воздушного зазора,

–коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси.

Амплитуда первой гармоники поля

.

Коэффициент воздушного зазора определяется исходя из расчетного значения воздушного зазора

.

Основной поток

.

Максимальное потокосцепление обмотки статора с потоком ОВ соответствует совпадению осей этих обмоток

,

где – обмоточный коэффициент.

.

При вращении возбужденного ротора, потокосцепление фазы обмотки якоря будет изменяться по косиносоидальному закону . При этом коэффициент взаимоиндукции между обмотками статора и возбуждением будет

.

ЭДС индуктируемая в обмотке статора при вращении индуктора (ротора)

,

где ,

–индуктивное сопротивление взаимоиндукции между ОВ и обмоткой статора. Действующее значение ЭДС

.

Отсюда . Таким образом,.

Так как зависимости илинелинейны, то зависимостьтакже нелинейна и с увеличением насыщенияуменьшается, аувеличивается (рис. 3.3)

,

–коэффициент потока.

– полный поток возбуждения, соответствующий площади, ограниченной кривой 1 (рис. 3.2).

б) Неявнополюсная СМ.

В этой машине ОВ размещается в пазах ротора, при этом ширина пазов значительно меньше величины воздушного зазора, поэтому влиянием пазов на распределение поля можно пренебречь и считать, что кривая распределения индукции имеет трапецеидальный характер (рис. 3.4), где

γ – отношение обмотанной части ротора к полюсному делению.

Действительная кривая распределения поля индуктора в воздушном зазоре (кривая 1). Кривая 2 соответствует первой гармонике распределения поля индуктора в воздушном зазоре.

Максимальное значение кривой распределения поля будет

.

Так как ОВ в данном случае представляет собой распределенную обмотку, обмоточный коэффициент которой является по сути коэффициентом распределения

, то ее МДС будет .

В результате амплитуду 1-ой гармоники поля возбуждения и коэффициент формы кривой поля можно записать в виде

,

.

При и.

.