Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

лее 3000 мин−1, увеличить число пар полюсов или сочетать оба способа вместе.

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели в настоящее время широко применяются для самых различных приводов, работающих с постоянной частотой вращения: для крупных вентиляторов, компрессоров, насосов и т.д. В большинстве случаев они выполняются явнополюсными и подвесного исполнения, мощностью 40…7500 кВт, для частот вращения 125…1500 мин−1. В настоящее время разработаны синхронные двигатели мощностью до 60 МВт, 15 кВ, на число пар полюсов 4…40. Двигатели конструктивно отличаются от генераторов наличием на роторе дополнительной короткозамкнутой обмотки, необходимой для асинхронного пуска, а также относительно меньшим воздушным зазором между статором и ротором. У синхронных двигателей КПД несколько выше, а масса на единицу мощности меньше, чем у асинхронных двигателей, рассчитанных на ту же частоту вращения.

Наряду с двигателями большой мощности широко выпускаются малые синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до нескольких сотен ватт. Они позволяют иметь постоянную частоту вращения при колебаниях напряжения сети и нагрузки на валу. Синхронные машины малой мощности весьма разнообразны по своей конструкции. Они нашли широкое применение в системах синхронной связи, для устройств автоматики, в вычислительной технике и других областях. Двигатели подробно изучаются в курсах электрических микромашин.

Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы являются генераторами реактивной энергии, емкостной и индуктивной. Они предназначены для поддержания необходимого уровня напряжения в электрической сети, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем и решения других задач.

По конструкции синхронный компенсатор представляет собой специально спроектированный синхронный двигатель, который работает без механической нагрузки на валу машины.

Отечественной промышленностью выпускаются компенсаторы мощностью 10…25 МВ·А с частотой вращения 750…1000 мин−1 на напряжение 10 кВ. Устанавливаются они на приемном конце линий электропередач, на распределительных подстанциях.

10

По сравнению с другими видами компенсирующих устройств, компенсаторы имеют то преимущество, что они позволяют плавно регулировать свою мощность.

1.2. Принцип действия и устройство синхронного генератора

1.2.1. Принцип действия синхронного генератора

Синхронная машина − бесколлекторная машина переменного тока, в которой отношение частоты f , наводимой в якоре ЭДС, к частоте вращения ротора n является постоянной величиной, которая в установившемся режиме не зависит от нагрузки.

Частота тока синхронного генератора равна

1.1)

где р – число пар полюсов якоря (конструктивная величина).

В синхронных машинах в установившемся режиме работы частота вращения ротора равна частоте вращения n1 маг-

нитного поля якоря. Отсюда и название машин – синхронные машины. Поле якоря и поле возбуждения неподвижны относительно друг друга и создают общее магнитное поле. Это главное условие нормального функционирования синхрон-ной машины. В зависимости от характера вырабатываемого тока синхронные машины делятся на одно-, двух и многофазные.

Для получения ЭДС в обмотке якоря генератора на основе закона электромагнитной индукции необходимо лишь относительное движение проводников обмотки и магнитного поля.

Машина может быть выполнена с неподвижной системой возбуждения и вращающимся якорем с обмоткой (рис. 1.3, а). Такая конструкция синхронной машины называется обращенной. Вместе с тем, современные синхронные генераторы, особенно средней и большой мощности, выполняются с неподвижными проводниками якоря

11

друг от друга. Он имеет такое же устройство, что и статор асинхронной электромашины.

Обмотка якоря 3 − обмотка, присоединяемая к внешнему источнику тока (режим двигателя) или к нагрузке (режим генератора), в которой происходит основное преобразование энергии. В случае небольших мощностей обмотка выполняется из эмалированного провода круглого сечения, для средних и больших мощностей обмотка – из провода прямоугольного сечения сплошного или с каналом для циркуляции хладоагента (дистиллированной воды). Начала и концы трехфазной обмотки соединяются в «звезду» или «треугольник». Число полюсов обмотки якоря равно числу полюсов ротора.

Ротор (индуктор) 4 − часть синхронной машины, на которой размещена обмотка возбуждения или постоянные магниты.

Полюс 5 – часть магнитной системы синхронной машины, расположенная между ярмом ротора и воздушным зазором, включающая сердечник и полюсный наконечник.

Полюсный наконечник 6 – часть полюса, обращенная к якорю и имеющая форму заданной конфигурации.

Крестовина ротора – вращающаяся часть ротора, снабженная шлицами, несущими на своей периферии полюсы. Применяется только в крупных машинах.

Обмотка возбуждения 7 располагается на роторе и служит для создания магнитного поля возбуждения

Подшипниковые щиты 8 снабжены подшипниками качения с постоянной смазочной зарядкой, или подшипниками скольжения. В подшипниках базируется вал ротора.

Возбудитель 9 – устройство, являющееся составной частью системы возбуждения и предназначенное для питания постоянным током обмотки возбуждения синхронной машины.

Демпферная (пусковая) обмотка (на рисунке не показана) пред-

назначена в генераторах для устранения колебаний ротора, в двигателях − для его пуска. Синхронная машина с явно выраженными полюсами ротора имеет встроенную демпферную обмотку. В синхронной машине с неявно выраженными полюсами ротора роль демпферной обмотки играет бочка ротора.

Демпферная обмотка по продольной оси расположена в полюсных наконечниках и представляет стержни, соединенные между собой торцевыми накладками. Демпферная обмотка по поперечной оси

13

образована крайними стержнями соседних полюсов и соединяющими их торцевыми накладками.

Контактная система 10 включает токопроводящие кольца с расположенными на них неподвижными щетками, обеспечивающие протекание по ним тока возбуждения. Каждая синхронная машина должна иметь щиток, на котором указаны номинальные данные, которым удовлетворяет электрическая машина: полная мощность Sн

(в двигателе указывается мощность на валу Рн ), коэффициент мощности cosϕ, КПД ηн , схема соединений обмоток статора, линейное напряжение обмотки статора Uн , частота вращения n , частота тока статора f , линейный ток статора Iн , напряжение U f и ток I f обмотки возбуждения и др.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие режимы работы синхронных машин Вы знаете?

2.В каких областях техники применяются синхронные машины?

3.Какой зависимостью связана частота наводимой в якоре генератора ЭДС от частоты вращения генератора?

4.Расскажите принцип действия синхронного генератора.

5.Чем отличается конструкция ротора неявнополюсного генератора от конструкции ротора явнополюсной машины?

6.Существует ли в установившемся режиме трансформаторная связь между обмоткой якоря и обмоткой возбуждения?

7.Чем синхронная машина отличается от асинхронной машины

иот машины постоянного тока?

1.3.Реакция якоря синхронного генератора

Под реакцией якоря синхронной машины понимается воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле ротора. Следствием этого воздействия является изменение результирующего магнитного потока и результирующей ЭДС якоря, а, следовательно, и характеристик генератора.

Это воздействие зависит не только от величины тока якоря, но и от вида нагрузки, которая может носить активный, индуктивный, емкостной, активно-индуктивный и активно-емкостной характеры. Рассмотрим реакцию якоря при нагрузке генератора установившимся симметричным током с физической стороны происходящих процессов. При этом будем считать, что магнитная проницаемость сердеч-

14

ников якоря и ротора принимается равной бесконечности, трехфазная обмотка якоря считается симметричной.

Реакцию якоря, в целях общности, будем рассматривать применительно к явнополюсному генератору. Ротор явнополюсного синхронного генератора, в отличие от ротора неявнополюсного генератора, является в магнитном отношении несимметричным. Он имеет не постоянную, а переменную величину воздушного зазора. Зазор выполнен с наименьшей величиной под полюсными наконечниками ротора, а с наибольшей – в междуполюсном пространстве, кроме этого магнитная система имеет ярма, полюсы, зубцы. В связи с этим, величины магнитных сопротивлений этих участков будут разными. Поэтому форма кривой распределения магнитного поля якоря в воздушном зазоре зависит от положения полюсов ротора относительно синхронно вращающейся с ним результирующей волны МДС якоря.

Введем понятия продольной и поперечной осей синхронной машины (впервые это сделал французский электротехник Блондель). Будем считать, что продольная ось d совпадает с осью полюсов явнополюсного ротора или с осью больших зубцов неявнополюсного ротора. Поперечная ось q опережает продольную ось d на угол 90° и проходит через середину междуполюсного пространства. Оси d и q неподвижны относительно ротора и вращаются с той же частотой вращения, что и ротор. При дальнейшем изложении процессов в явнополюсной синхронной машине будем рассматривать рабочие свойства машины, используя ее представление в осях d и q.

Активная нагрузка. Эскиз поперечного сечения явнополюсной синхронной машины с трехфазной сосредоточенной обмоткой на якоре и обмоткой возбуждения на роторе (индукторе) приведен на рис. 1.5, а. Частота вращения ротора n. Под действием тока возбуждения I f в обмотке роторе образуется МДС возбуждения Ff , век-

тор которой F&f направлен по оси d. Она создает магнитный поток полюсов Фf , который пересекает неподвижные проводники фаз

якоря А, В и С и наводит в них ЭДС (по правилу правой руки), векторы которых E&OA, E&OB, E&OC показаны на временной диаграмме

в это время под серединой полюсов. ЭДС отстает от магнитного потока Фf на угол π ⁄ 2 (рис. 1.5, в).

15

При активной нагрузке векторы токов I&A, I&B , I&C совпадают соответственно с векторами E&OA , E&OB , E&OC . Угол ψ между ЭДС и током

(рис. 1.5, б) равен нулю. Под действием токов образуется результирующая МДС якоря F&а, называемая реакцией якоря, которая в свою

очередь создает результирующий магнитный поток Ф&а. Ранее [7] от-

мечалось, что в трехфазной машине ось результирующей МДС всех фаз совпадает с осью фазы, ток в которой является максимальным. В данном случае это ось фазы А. Поэтому на пространственной

Рис. 1.5. Поперечная реакция якоря

синхронного генератора

Рис. 1.6. Продольная размагничивающая реакция якоря синхронного генератора

диаграмме (рис. 1.5, а) векторы МДС якоря и магнитного потока направлены перпендикулярно векторам МДС и потока возбуждения, т.е. по оси q.

Векторная временная диаграмма МДС, магнитных потоков, ЭДС и тока в фазе А представлены на рис. 1.5, в.

Магнитный поток Фа реакции якоря будет ослаблять магнитное поле возбуждения на набегающей части полюса и усиливать его на

16

нитных потоков, ЭДС и тока фазы А приведена на рис. 1.7, в. Смешанная нагрузка. В случае смешанной активно-индук-тивной

нагрузки (рис. 1,8, б) и ак-тивно-емкостной нагрузки (рис. 1.9, б) генератора вектор МДС F&a якоря можно разложить (рис. 1.8, а) и (рис.

1.9, а) на две составляющие: продольную F&d , совпадающую с осью d и поперечную F&q , совпадающую с осью q. При активно-индуктивной нагрузке вектор F&d направлен против вектора МДС F&f обмотки воз-

буждения (рис. 1.8, б), что вызывает размагничивание генератора. В случае ак-

тивно-емкостной нагрузки (рис. 1.9, б) вектор F&d совпадает с вектором F&f . Это приводит к намагничиванию машины. Действие попе-

речного потока аналогично действию поперечного потока при активной нагрузке. Из сказанного вытекает, что положение вектора реакции якоря генератора по отношению к полюсам ротора является переменным и определяется характером нагрузки, которая может быть активной, индуктивной, емкостной или смешанной. МДС реакции якоря взаимодействует с МДС обмотки возбуждения и под действи-

ем этих МДС образуется результирующее магнитное поле генератора, которое определяет выходное напряжение на зажимах машины. Временные диаграммы МДС, магнитных потоков, ЭДС и токов приведены на рис. 1,8 (в) и 1.9 (в).

Таким образом, вид нагрузки оказывает влияние на величину выходного напряжения генератора.

Вопросы для самоконтроля

1.Что называется реакцией якоря?

2.Как ориентированы оси d и q в синхронной машине с явнополюсным и неявнополюсным ротором?

3.Оказывает ли реакция якоря влияние на все электромагнитные процессы в синхронном генераторе?

4.Может ли реакция якоря быть только по оси d? Только по оси q? Одновременно по оси d и оси q?