Магнитные поля и параметры успокоительной обмотки

В нормальных установившихся режимах работы многофазной синхронной машины основная гармоника н. с. реакции якоря вращается синхронно с ротором, неизменна по величине и по­этому токов в успокоительной или пусковой обмотке, располо­женной в полюсных наконечниках, не индуктирует.

При этих условиях относительно небольшие токи в стержнях ус­покоительной обмотки индуктируются только в результате действия высших гармоник н. с. обмотки якоря и зубцовых пульсации маг­нитного поля. Эти токи вызывают добавочные потерн, которые учи­тываются при определении к. п. д.

Однако при неустановившихся, несимметричных и других особых режимах работы потоки основных гармоник поля реак­ции якоря Ф_ad и Ф_qd изменяются или пульсируют во времени и индуктируют в успокоительной обмотке значительные по ве­личине токи.

Распределение этих токов в стержнях успокоительной или пус­ковой обмотки показано на рис.1 а и 2 а.

Рис 1.

Рис 2.

Эти токи создают в воздушном зазоре магнитные поля определенной формы, которые можно разложить на основную и высшие гармоники (рис.1б и 2б). Основные гармоники поля успокоительной обмотки обусловливают явление взаимной индукции с обмоткой якоря, а высшие гармоники образуют поле дифференциального рассеяния успокоительной обмотки. Кроме того, существуют также поля па­зового и лобового рассеяния успокоительной обмотки.

Ротор явнополюсной синхронной машины в магнитном отно­шении несимметричен. Кроме того, его успокоительная или пуско­вая обмотка несимметрична и в электрическом отношении, так как контуры токов, составляемые стержнями и участками торцевых замыкающих колец этой обмотки, различны для токов, индукти­руемых продольным и по­перечным потоками реакции якоря (рис. 1а и 2а). Поэтому количест­венные соотношения, характе­ризующие электромагнитные процессы, для осей d и q раз­личны. Для поля воздушного зазора это проявляется в том, что кривые поля имеют раз­личный вид (рис. 1б и 2б). Токи в отдельных стержнях на рис. 1 а также различны. Это же спра­ведливо и для рис. 2а.

Вследствие указанной маг­нитной и электрической несимметрии, строго говоря, вместо единой успокоительной обмотки необходимо рассмат­ривать каждый контур тока на рис. 1а или 2а как отдельную обмотку или отдельную цепь тока.

Для каждого такого контура по отдельности можно составить уравнение напря­жения или второе уравнение Кирхгофа, причем эти уравнения будут независимы друг от друга, а сопротивления и индуктивности каждого контура различны. В уточненной теории переходных про­цессов и других особых режимов действие успокоительной обмотки учитывается именно так. Однако для большинства практических целей задачу можно упростить и рассматривать по каждой оси одну эквивалентную успокоительную обмотку, с эквивалентными токами I_уд, I_yq и эквивалентными параметрами. Можно считать, что такие эквивалентные обмотки представляют собой коротко-замкнутые витки с полным шагом (рис. 3).

Рис 3.

Активные сопротив­ления и индуктивности L_yd, L_yq эквивалентных успокоитель­ных обмоток по разным осям различны.

Токи и параметры успокоительных обмоток также можно привести к обмотке якоря. При этом взаимная индуктивность с обмоткой яко­ря для продольной оси будет равна L_ad, а для поперечной оси L_aq. Полные приведенные собственные индуктивности успокоительной обмотки будут:

где — приведенные индуктивности рассеяния успокои­тельной обмотки соответственно для продольной и поперечной осей. Очевидно, что

.

Вместо полной успокои­тельной обмотки иногда применяют также неполную успокоитель­ную обмотку (рис. 4),

Рис 4.

ко­торая не имеет междуполюсных соединений. Отсутствие междуполюсных соединений не влияет на величину и рас­пределение токов,а также на величину параметров успокои­тельной обмотки по продоль­ной оси. Однако действие та­кой обмотки по поперечной оси значительно ослабляется, так как активное сопротив­ление r_yd и индуктивность рассеяния увеличивают­ся, а ток эквивалентной обмотки , уменьшается. Поэтому неполные успокоительные обмотки применяются редко.

Отметим, что в каждом реальном стержне успокоительной об­мотки протекает ток, равный сумме продольного и поперечного токов стержня, и ввиду разных направлений этих токов суммарные токи стержней, расположенных симметрично относительно центра полюсного наконечника, различны.

Неявнополюсные синхронные машины имеют массивный ро­тор, обычно лишены специальной успокоительной обмотки, и роль последней играет само тело ротора. Это же справедливо для явнополюсных машин с массивными полюсами. Действие мас­сивного ротора и массивных полюсов также можно заменить действием эквивалентных успокоительных обмоток.

Для неявнополюсной машины, имеющей цилиндрический ротор, параметры таких обмоток для обеих осей можно принять одинаковым. Строго говоря, это же справедливо и для обычных успо­коительных и пусковых обмоток, так как сечение стержней этих обмоток достаточно велико.

Некоторое действие оказывают также вихревые токи, индукти­руемые при изменении Ф_ad Ф_aq в элементах магнитной цепи ротора явнополюсной машины, имеющей полюсы из листовой ста­ли. Это эквивалентно наличию некоторой дополнительной успокои­тельной обмотки. Однако этот эффект мал и обычно не учитывается.

Следует отметить также, что приведенная взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и успокоительной больше, а рассеяние между ними меньше, чем между этими двумя обмотками и обмоткой якоря. Это обусловлено тем, что указанные две обмотки расположены на индукторе поблизости и неподвижны относительно друг друга. Ввиду последнего обстоятельства взаимная индуктив­ность обмоток возбуждения и успокоительной обусловлена также высшими гармониками их полей в воздушном зазоре. То же самое характерно и для двухклеточного асинхронного двигателя, в кото­ром взаимная индуктивность между обмотками ротора также больше, чем между обмотками ротора и обмоткой статора. Однако в синхронных машинах этим обстоятельством часто пренебрегают.

Необходимо также подчеркнуть, что взаимная индукция между поперечной успокоительной обмоткой и обмоткой возбуждения отсутствует.