15.3. Режимы работы синхронной машины

Любая синхронная машина, включенная в электрическую систему, может работать в режиме генератора и двигателя. Режим работы синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине, так же как и в асинхронной, магнитное поле (см. § 14.3), вращающееся с угловой скоростью ω. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора(а) и двигателя (б) показано на рис. 15.3 штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью ω пары полюсов, расположенных на статоре.

Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.

Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.

Для того чтобы заставить синхронную машину, включенную в систему, работать в режиме генератора, отдавая в эту систему энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол у относительно оси полюсов статора в направлении вращения (рис. 15.3, а). Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создает тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование механической мощности первичного двигателя в электрическую мощность генератора, включенного в систему. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора.

Если теперь приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернется на некоторый угол относительно оси полюсов статора против направления вращения (рис. 15.3, б). Вновь возникнут токи в обмотках статора и создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины; таким путем синхронная машина переходит в режим двигателя.

Режим работы синхронной машины изменяется от генераторного на двигательный и обратно в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.

15.4. Получение синусоидальной эдс в синхронном генераторе

Обмотка статора синхронной машины устроена так же, как и обмотка асинхронной машины. Однако если в асинхронной машине главным магнитным потоком, индуктирующим ЭДС в фазных обмотках статора, является вращающееся магнитное поле, то в синхронной машине главным магнитным потоком, индуктирующим ЭДС в фазных обмотках статора, является магнитное поле, создаваемое постоянным током в обмотке вращающегося ротора.

В условиях холостого хода синхронного генератора магнитный поток, сцепляющийся с одним витком фазной обмотки статора, изменяется в пределах от + Ф_от до — Ф_от, где Ф_от — максимальное значение магнитного потока, сцепленного с одним витком, создаваемое магнитным полем вращающегося с угловой скоростью со ротора.

В § 2.5 было показано, что в этом случае в одном витке фазной обмотки возникнет ЭДС, изменяющаяся по закону, близкому к синусоидальному, с амплитудой Е_От = ωФ_0т.

Вследствие того что секции, образующие каждую из фаз обмотки статора, распределены по нескольким пазам, их ЭДС складываются геометрически, что при расчете ЭДС фазной обмотки учитывается посредством обмоточного коэффициента k_o6 < 1 (см. § 14.5).

Таким образом, действующее значение ЭДС фазной обмотки статора синхронной машины, имеющей w витков на фазу, будет:

где ψ_o — действующее значение потокосцепления, создаваемого магнитным полем ротора с фазной обмоткой статора.

Для получения синусоидальной ЭДС в проводниках витков фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора. В случае явновыраженных полюсов для этой цели используется форма полюсных наконечников: явнополюсная машина изготовляется с неравномерным воздушным зазором, постепенно увеличивающимся от середины полюса к краям, благодаря чему магнитная индукция распределяется обратно пропорционально магнитному сопротивлению. Это дает возможность, посредством соответствующего подбора формы полюсного наконечника достичь приближенно синусоидального распределения вдоль окружности ротора.

Однако такой способ получения синусоидальной кривой неприменим для неявных полюсов быстроходных машин. В этих машинах путем соответствующего распределения обмотки возбуждения вдоль окружности ротора удается получить трапециевидное распределение индукции вдоль окружности ротора, что уже представляет собой существенное приближение к синусоиде. Для дальнейшего подавления высших гармонических в кривой ЭДС используются специальные свойства распределенной обмотки статора.