Принцип действия синхронных машин. Явление реакции якоря

Принцип действия генератора. Если обмотку возбуждения генератора подключить к источнику постоянного тока, то МДС обмотки будет создано основное магнитное поле, характеризуемое магнитным потоком Ф₀ и показанное на рис. 11.1, а с помощью двух линий магнитной индукции, изображенных пунктиром. При вращении ротора с помощью первичного двигателя магнитное поле будет также вращаться.

Так как катушки фаз обмотки якоря имеют одинаковые числа витков и смещены в пространстве относительно друг друга на 120°, то при вращении магнитного поля в трех фазах будут индуктироваться три ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга также на угол 120°. Чтобы при постоянной частоте вращения ЭДС изменялись по закону, близкому к синусоидальному, магнитная индукция вдоль воздушного зазора, разделяющего магнитопроводы статора и ротора, должна быть распределена также примерно по синусоидальному закону. В машинах с явновыраженными полюсами это достигается за счет неодинакового воздушного зазора между сердечником статора и полюсными наконечниками 4 (см. рис. 11.1, б), в машинах с неявновыраженными полюсами — за счет соответствующего распределения обмотки возбуждения по пазам сердечника статора.

Рис. 11.2. Векторная диаграмма ЭДС машины

Векторная диаграмма ЭДС генератора дана на рис.  11.2. Действующее значение и частота синусоидальной ЭДС, ин­дуктируемой в фазе обмотки якоря, могут быть определены, как и в асинхронном двигателе, по формулам

Е₀ = 4,44kwfФ₀; (11,1)

f = рn/60. (11,2)

Для получения стандартной частоты 50 Гц при различных частотах вращения синхронные генераторы изготовляются с разными числами пар полюсов. Так, турбогенераторы изготовляются в большинстве случаев на частоту вращения 3000 об/мин и имеют одну пару полюсов (р = 1). Изготовление турбогенераторов на наименьшее число пар полюсов и соответственно на наибольшую частоту вращения позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость генераторов. Частота вращения гидрогенераторов определяется в основном высотой напора воды и для различных станций лежит в пределах от 50 до 750 об/мин, что соответствует числам пар  полюсов  от 60 до 4.

Если к обмотке якоря подключить приемник электрической энергии, то под действием ЭДС в фазах обмотки якоря и приемника появятся токи; генератор начнет отдавать приемнику электрическую энергию.

При работе генератора с нагрузкой МДС трехфазной обмотки якоря возбуждается вращающееся магнитное поле якоря, характеризуемое магнитным потоком Ф_я , частота вращения которого равна частоте вращения ротора, т. е. n₀ = n = 60f/р; взаимное расположение осей магнитных полей якоря и ротора при данной нагрузке генератора остается неизменным.

Под действием поля якоря результирующее поле генератора при изменении его нагрузки будет также изменяться, что оказывает влияние в конечном итоге на значение напряжения генератора. Воздействие поля якоря на результирующее поле машины называется реакцией якоря.

В результате взаимодействия магнитного потока Ф_яи проводников обмотки возбуждения (или полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора) на ротор действует электромагнитный момент, направленный у генератора против направления частоты  вращения   ротора   и   являющийся  тормозящим.

Значение электромагнитного момента, интенсивность и характер действия реакции якоря зависят кроме значения тока якоря от характера сопротивления приемников. Объясняется это тем, что при изменении характера сопротивлений приемников изменяется взаимное расположение осей магнитных потоков Ф_я и Ф₀.

На рис. 11.3, а приведен эскиз упрощенной модели синхронной машины, на котором каждая фаза обмотки якоря заменена одним витком; ротор вращается с частотой вращения n под действием первичного двигателя; магнитное поле якоря изображено для случая, когда ток фазы ах имеет максимальное значение, вследствие чего ось КК' поля якоря Ф_яперпендикулярна плоскости катушки фазы ах; ось mm'магнитного поля ротора Ф₀ совпадает с осью КК' поля якоря, что соответствует случаю, при котором ЭДС фазы ах отстает от тока этой фазы на угол 90°. Последнее возможно при чисто емкостной нагрузке генератора,   если   не   учитывать   активного   сопротивления   фазы   ах.

Нетрудно установить, что несмотря на наличие тока якоря и магнитного потока Ф_я при чисто емкостной нагрузке электромагнитный момент генератора равен нулю, под действием поля якоря генератор подмагничивается.

Рис. 11.3. К вопросу принципа действия и реакции якоря синхронных машин

Можно показать, что и при чисто индуктивной нагрузке генератора электромагнитный момент будет также равен нулю. Только в этом случае полем якоря генератор будет размагничиваться.

Если при тех же токах якоря нагрузка будет активно-емкостной, взаимное расположение осей магнитных потоков изменится: ось mm' магнитного потока ротора сместится на некоторый угол в направлении вращения ротора (рис. 11.3, б). Вследствие этого на ротор начнет действовать тормозящий электромагнитный момент М_эм , в чем легко убедиться с помощью правила левой руки (или рассмотрев взаимодействие полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора). Как видно, при активно-емкостной нагрузке поле якоря имеет составляющую, подмагничивающую генератор.

В случае активно-индуктивной нагрузки также возникает тормозной момент, а поле якоря размагничивает генератор.

Принцип действия двигателя. При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка якоря подключается к источнику трехфазного тока, в результате чего возникает вращающийся магнитный поток Ф_я. После разгона ротора до частоты вращения n, близкой к частоте вращения n₀ поля якоря (см. § 11.10), его обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока и возникает магнитный поток Ф₀. Благодаря взаимодействию магнитного потока Ф_я и проводников обмотки ротора (или полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора) возникает вращающий электромагнитный момент М_эм , действующий на ротор, и он втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться с частотой вращения, равной частоте вращения n₀ магнитного поля якоря.

Положение оси mm' магнитного поля ротора относительно оси КК' поля якоря и значение момента М_эм зависят от нагрузки двигателя. Так, при работе двигателя в режиме идеального холостого хода ротор занимает положение, показанное на рис. 11.3, а, при котором электромагнитный момент М_эм равен нулю. Некоторой механической нагрузке двигателя соответствует положение ротора, изображенное на рис. 11,3, в, которому соответствует определенный вращающий момент М_эм.

Значение тока якоря, интенсивность и характер действия реакции якоря зависят при М_эм = const от значения ЭДС Е₀, которая определяется значением тока возбуждения (см. § 11.10). Следует заметить только, что когда двигатель потребляет от источника только индуктивную или активно-индуктивную мощности, под действием поля якоря двигатель подмагничивается (рис. 11.3, а и в); в случае потребления емкостной или активно-емкостной мощности двигатель под действием поля якоря размагничивается.

Как и у других машин, у асинхронных машин электромагнитный момент незначительно отличается от момента, развиваемого машиной на валу. Поэтому для простоты анализа будем   считать   их   в   дальнейшем   равными   и   обозначать   М.

Существенной особенностью синхронного двигателя в отличие от асинхронного является то, что вращающий момент возникает у него в том случае, когда частота вращения ротора n равна частоте вращения n₀ магнитного поля якоря. Объясняется это тем, что ток в обмотке возбуждения синхронного двигателя появляется не в результате электромагнитной индукции (как в обмотке ротора асинхронного двигателя), а вследствие питания обмотки возбуждения от постороннего источника постоянного тока.

Частота вращения магнитного поля якоря, а значит, и ротора синхронного двигателя определяется по формуле n₀ = n = 60f/р.

Для получения различных частот вращения синхронные двигатели изготовляют с различными числами полюсов. При частоте f = 50 Гц частоты вращения будут 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т. д.

Принцип действия синхронных компенсаторов рассматривается в § 11.10.

СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Схема включения синхронного генератора приведена на рис. 11.4. Трехфазная обмотка якоря генератора ОЯ подключается к приемникам электрической энергии, которые в зависимости от их номинального напряжения и напряжения генератора могут быть соединены как звездой, так и треугольником. Под сопротивлениями z_п , r_п и х_п на рис. 11.4 следует понимать эквивалентные сопротивления группы приемников, получающих питание от генератора.

В цепь обмотки возбуждения ОВ генератора, питаемой постоянным током, включен реостат r_p, служащий для регулирования тока возбуждения I_в , а в конечном итоге — напряжения U на выводах обмотки якоря генератора.

Для упрощения анализа соотношений синхронного генератора, как и двигателя, будем считать, что мы имеем машину с неявновыраженными полюсами, ферромагнитные материалы которой при любых режимах работы остаются ненасыщенными. При таком допущении можно считать, что в машине существуют независимо три магнитных потока, каждый из которых прямо пропорционален соответствующей МДС: основной магнитный поток Ф₀, прямо пропорциональный МДС обмотки возбуждения, потоки рассеяния Ф_р и реакции якоря Ф_я , прямо пропорциональные МДС обмотки якоря.

Рис. 11.4. Простейшая схема включения синхронного генератора

С целью построения векторных диаграмм и выявления свойств синхронного генератора необходимо прежде всего составить уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи якоря двигателя. При составлении уравнения необходимо учесть следующее.

Под действием МДС обмотки возбуждения возникает основной магнитный поток Ф_о, которым в каждой фазе обмотки якоря индуктируется ЭДС Е₀. Ток якоря Iвызывает в активном сопротивлении r фазы падение напряжения I_r . МДС обмотки якоря возбуждает поток рассеяния Ф_р , которым в обмотке якоря индуктируется ЭДС самоиндукции Е_р . Последнюю можно заменить падением напряжения Е_р = Iх_р , где х_р = ωL_p и L_p — индуктивное сопротивление и индуктивность, обусловленные полем рассеяния. Как известно, МДС обмотки якоря возбуждается магнитный поток Ф_я , под действием которого изменяется результирующее поле машины. Явление реакции якоря можно учесть, введя в уравнение ЭДС Е_я , индуктируемую в обмотке якоря полем якоря или заменяющим ее падением напряжения Е_я = I_хя , где хя = ωLя и Lя — индуктивное сопроти­вление и индуктивность, обусловленные полем реакции якоря. ЭДС Е_р иЕ_я могут быть заменены эквивалентной ЭДС якоря Е_я1, которая равна  E_я1 = Е_р + Е_я = I(х_р + х_я) = Iх_с .

Сопротивление х_с = х_р + х_я называется синхронным сопротивлением. При сделанных ранее допущениях при любых нагрузках генератора следует считать х_с = const.

Для упрощения дальнейшего изложения условимся считать, что эквивалентной ЭДС E_я1соответствует некоторый вращающийся магнитный поток якоря Ф_я1, эквивалентный в отношении создаваемой им ЭДС потокам Ф_р и Ф_я.

Учитывая сказанное, для любой из фаз обмотки якоря (см. рис. 11.4) можно написать: Е₀ = I(r + iIx_c + U).

Обычно сопротивление r значительно меньше х_с . Поэтому при качественном анализе явлений в синхронных машинах сопротивление r можно не учитывать.  Тогда

E₀ = jIx_c + U. (11,3)

Напряжение на выводах генератора и приемника может быть выражено в соответствии с законом Ома:

U = IZ_п = Ir_п + jIx_п.

Заменив в (11.3) напряжение его выражением, получим

E₀ = jIx_c + Ir_п + jIx_п . (11,4)

Из уравнений (11.4) и (11.3)

I =	E0	;
	rп + j(xc + xп)

(11,5)

U = E₀ - jIx_c . (11,6)

Углы сдвига фаз между током и напряжением φ, током и ЭДС ψ определяются по формулам

φ = arcsin	xп	;    ψ = arcsin	xc + xп
	zп		z

Зная ЭДС, напряжение, ток и углы сдвига фаз, нетрудно найти мощности генератора. Например, электромагнитная мощность Р_эм, вырабатываемая генератором, и активная мощностьР_φ , отдаваемая им приемнику,

Р_эм = 3Е₀I cos ψ; (11,7)

Р_φ = 3UI cos φ. (11,8)

Мощность Р_эм отличается от мощности Р_φ на значение потерь  мощности   в   активном   сопротивлении   обмотки   якоря:

Р_эм = Р_φ + ΔР_я = 3UI cos φ + 3I²r_я .

Как следует из приведенных формул, ток, напряжение, углы сдвига фаз и мощности зависят при заданных значениях Е₀ и х_с исключительно от значений и характера сопротивлений приемника. Напряжение U на выводах генератора отличается от ЭДС Е₀ за счет падения напряжения в сопротивлении х_с .