1. Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Синхронная машина имеет две основных части: ротор и статор, причём статор не отличается от статора асинхронной машины. Ротор синхронной машины представляет собой систему вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током, поступающим в ротор через контактные кольца и щётки от внешнего источника. В обмотках статора под действием вращающегося магнитного поля наводится ЭДС, которая подаётся на внешнюю цепь генератора. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается посторонним источником – возбудителем, которым обычно является генератор постоянного тока небольшой мощности, который установлен на общем валу с синхронным генератором. Постоянный ток от возбудителя подаётся на ротор через щётки и контактные кольца, установленные на валу ротора. Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. У многополюсной синхронной машины ротор имеет p пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют также p пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его скорость равна:

n = 60f / p 

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей "раскачивание" ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

Генераторный режим Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

2. . Режим хх.

Рассмотрим характеристику холостого хода синхронного генератора. Она представляет зависимость индуктированной в статоре э. д. с. Е_о от тока возбуждения I_В при разомкнутой внешней цепи машины: Генератор приводится во вращение с синхронной скоростью, соответствующей номинальной частоте генератора. Увеличивают при помощи реостата ток возбуждения, отмечая показания амперметра в цепи возбуждения. По показаниям вольтметра, включенного на зажимы обмотки статора, определяют величину индуктированной э. д. с. Е_о Характеристика холостого хода синхронного генератора показана на фиг. 252. Прямолинейная часть характеристики указывает на пропорциональность между индуктированной э. д. с. и током возбуждения. В дальнейшем магнитная система генератора насыщается, кривая изгибается, т. е. при значительном увеличении тока возбуждения индуктированная э. д. с. растет очень медленно. Обычно нормальная работа машины имеет место за изгибом характеристики холостого хода.

3,4)Работа синхронного генератора под нагрузкой.

Падаем на обмотку возбуждения постоянное напряжение, по ней пойдет постоянный ток, который создаст поток близкий к синусоидальному. Полы индуктора приведет Э,Д,С. Ток якоря создаст свое вращающееся поля. Поскольку число полюсов ротора равно числу полюсов на которое рассчитано поле якоря.

Влияния поля созданного токами якоря на основе поля машины называется реакцией якоря.

Рассмотрим на примере полнополюсной машины, это удобно, потому что зазор практически постоянный.

5,6) Векторные диаграммы позволяют определить процент изменения напряжения при сбросе и повышения нагрузки . С помощью них можно моделировать режимы работы не прибегаю к опыту. Они позволяют получить основные характеристики машины расчетным путем, позволяют определить угол нагрузки тетта ( угол между напряжением и ЭДС машины) .

Векторные диаграммы синхронного генератора дают физическое представление о процессе в машине, показывают соотношения и фазы отдельных составляющих токов, э. д. с. и напряжений. Векторные диаграммы позволяют определять изменение напряжения обмотки якоря при изменении тока нагрузки.

7. Вд сг с учетом насыщения. Явнополюсный генератор

Суммарная МДС насыщенного генератора

определяет результирующий поток

,

который наводит в обмотке статора ЭДС

.

Магнитная характеристика явнополюсного генератора имеет очень сложный характер из-за неравномерности воздушного зазора. С целью упрощения расчетов разделим результирующий поток на продольную и поперечную составляющие,

и примем допущение, что магнитная цепь по поперечной оси не насыщена. Насыщение будем учитывать лишь по продольной оси, используя магнитную характеристику холостого хода

, где - суммарная МДС генератора по продольной оси.

Составляющие результирующего потока и наводят в обмотке статора ЭДС и . Сумма этих ЭДС

совместно с ЭДС рассеяния определяет напряжение генератора .

Так как магнитная цепь по поперечной оси принимается ненасыщенной, то для расчета ЭДС можно воспользоваться ранее полученным выражением

,

а расчет МДС , как и в случае неявнополюсной машины, выполняется по характеристике холостого хода

.

Для снижения погрешностей расчета, обусловленных принятыми допущениями, сопротивление рассеяния заменяется на сопротивление Потье .

Рассмотрим задачу определения МДС обмотки возбуждения явнополюсного генератора, необходимую для получения напряжения при нагрузке, заданной током и коэффициентом мощности . Решение выполняется графическим методом с использованием характеристики холостого хода и векторной диаграммы. На оси ординат характеристики холостого хода откладывается вектор , а вектор тока направляется под углом  (рис. 5.18). Зная положение этих векторов, находим ЭДС от результирующего поля

и эквивалентную ЭДС ненасыщенного генератора

,

которая, как было показано ранее, действует по поперечной оси машины. Поэтому проекция вектора на эту ось определяет вектор ЭДС . Обращаясь к характеристике холостого хода, находим по модулю ЭДС суммарную МДС генератора по продольной оси . Эта МДС с учетом реакции якоря по продольной оси определяет МДС обмотки возбуждения

.

Этой МДС по характеристике холостого хода соответствует ЭДС . Вектор ЭДС направлен по поперечной оси.

8) Характеристика холостого хода (Х.Х.Х.) – это зависимость ЭДС генератора Е0 от тока возбуждения IB при постоянной частоте вращения и тока якоря равном нулю. Так как ЭДС Е0 пропорциональна значению магнитного потока, то из-за насыщения магнитной цепи характеристика холостого хода криволинейная и отклоняется к оси абсцисс от прямой линии

(рисунок 3), т.е. копирует кривую намагничивания.

При наличии остаточного намагничивания полюсов характеристика может начинаться не из нулевого значения ЭДС. Номинальное напряжения генератора находится на середине перегиба характеристики, потому что при меньшем токе возбуждения не полностью используется магнитная система, а при большем токе возбуждения происходит незначительное увеличение ЭДС, т.е. экономически нецелесообразно увеличивать объём обмотки возбуждения и полюсов и увеличивать размеры электрической машины.

Х арактеристики короткого замыкания (КЗ) представляют собой зависимость тока якоря I я = Ik от тока возбуждения IB при разном числе накоротко замкнутых фаз обмотки якоря. Для уменьшения потерь мощности в обмотках якоря генераторы проектируют с малым активным сопротивлением обмотки якоря, которым в режиме короткого замыкания можно пренебречь. Тогда при КЗ обмотка якоря имеет в основном индуктивное сопротивление, и ток якоря является индуктивным. Этот ток создает продольно – размагничивающую МДС реакции якоря, которая значительно уменьшает результирующий магнитный поток генератора. При этом магнитная система генератора ненасыщенна, магнитный поток и ЭДС изменяются пропорционально току возбуждения, и зависимость ( ) k B I = f I получается прямолинейной. Чем больше накоротко замкнутых фаз, тем больше необходим ток возбуждения для компенсации продольно размагничивающей МДС якоря, чтобы обеспечить протекание одного и того

же тока якоря (в частности, номинального). Поэтому характеристики короткого замыкания имеют разный наклон (рисунок 4).

9) Внешние характеристики – это есть зависимости напряжения на зажимах генератора U от тока нагрузки (якоря) I при постоянных значениях частоты вращения, тока возбуждения и коэффициента мощности. Изменение напряжения генератора при увеличении тока нагрузки Iя

з ависит от характера нагрузки. При активной нагрузке ( cosj =1) и ее увеличении происходит падение напряжения на активном сопротивлении обмотки якоря, на индуктивном сопротивлении рассеяния, обусловленном магнитным потоком рассеяния и влиянием поперечной МДС реакции якоря. Таким образом, в результате действия указанных причин напряжение генератора при увеличении тока нагрузки уменьшается.

При активно индуктивной нагрузке ( cosj <1; j >0) индуктивная составляющая тока якоря создает продольно – размагничивающую составляющую МДС реакции якоря, которая дополнительно уменьшает магнитный поток генератора и его ЭДС, и напряжение снижается в большей мере, чем при чисто активной нагрузке. Внешняя характеристика при этом сильнее отклоняется к оси абсцисс (рисунок 5).

При активно-емкостной нагрузке продольно – намагничивающая МДС реакции якоря увеличивает результирующий мощной поток, ЭДС и напряжение генератора уменьшается в меньшей мере (может даже увеличиваться).

Р егулировочные характеристики определяют закон изменения тока возбуждения генератора для поддержания постоянного напряжения на его зажимах при изменении тока нагрузки, т.е. представляют зависимость I f (I ) B = , при U = const, n = const, cosj = const .

Как выше сказано, напряжение генератора изменяется по ряду причин, поэтому для компенсации этих причин необходимо увеличивать ток возбуждения, и чем больше причин, снижающих напряжение при увеличении тока нагрузки (тока якоря), тем в большей мере необходимо увеличивать ток возбуждения. (Рисунок 6)