Синхронные машины

Основные понятия

Характерным признаком синхронных машин является жесткая связь между частотой вращения ротора и частотой переменного тока в обмотке статора :

= × 60/р.

Другими словами, вращающееся магнитное поле статора и ротор синхронной машины вращаются синхронно, т. е. с одинаковой частотой.

По своей конструкции синхронные машины разделяются на явнополюсные и неявнополюсные. В явнополюсных синхронных машинах ротор имеет явно выраженные полюса, на которых располагают катушки обмотки возбуждения, питаемые постоянным током. Характерным признаком таких машин является различие магнитного сопротивления по продольной оси (по оси полюсов) и по поперечной оси (по оси, проходящей в межполюсном пространстве). Магнитное сопротивление потоку статора по продольной оси dd намного меньше магнитного сопротивления потоку статора по поперечной оси qq. В неявнополюсных синхронных машинах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковы, поскольку воздушный зазор у этих машин по периметру статора одинаков.

Конструкция статора синхронной машины в принципе не отличается от статора асинхронной машины. В обмотке статора в процессе работы машины индуцируются ЭДС и протекают токи, которые создают магнитодвижущую силу (МДС), максимальное значение которой

.

Эта МДС создает вращающееся магнитное поле, а в воздушном зазоре машины создается магнитная индукция, график распределения которой в пределах каждого полюсного деления зависит от конструкции ротора (рис. 13).

Для явнополюсной синхронной машины справедливо уравнение напряжений:

,

где – основная ЭДС синхронной машины, пропорциональная основному магнитному потоку синхронной машины ; – ЭДС реакции якоря синхронной машины по продольной оси, пропорциональная МДС реакции якоря по продольной оси ; – ЭДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональная МДС реакции якоря по поперечной оси ; – ЭДС рассеяния, обусловленная наличием магнитного потока рассеяния величина этой ЭДС пропорциональна индуктивному сопротивлению рассеяния обмотки статора

= – ;

– активное падение напряжения в фазной обмотке статора, обычно этой величиной при решении задач пренебрегают ввиду ее небольшого значения.

Рис. 13. Графики распределения магнитной индукции по поперечной оси

неявнополюсной (а)и явнополюсной (6)синхронных машин:

1 — график МДС; 2— график магнитной индукции

Для неявнополюсной синхронной машины уравнение напряжений имеет вид

,

здесь

,

где – ЭДС реакции якоря неявнополюсной синхронной машины.

Рассмотренным уравнениям напряжений соответствуют векторные диаграммы напряжений. Эти диаграммы приходится строить для определения либо основной ЭДС машины , либо напряжения обмотки статора . Следует иметь в виду, что уравнения напряжений и соответствующие им векторные диаграммы не учитывают магнитного насыщения магнитопровода синхронной машины, которое, как известно, влияет на величину индуктивных сопротивлений, вызывая их уменьшение. Учет этого насыщения представляет сложную задачу, поэтому при расчетах ЭДС и напряжений синх ронных машин обычно пользуются практической диаграммой ЭДС, которая учитывает состояние насыщения магнитной системы, вызванное действием реакции якоря при нагрузке синхронной машины. При построении практической диаграммы ЭДС намагничивающую силу реакции якоря не разлагают на продольную и поперечную составляющие, поэтому эта диаграмма может быть применена как при расчетах явнополюсных, так и неявнополюсных машин.

При решении задач, связанных либо с синхронными генераторами, включенными параллельно с сетью, либо с синхронными двигателями, пользуются угловыми характеристиками синхронных машин, представляющими собой зависимость электромагнитного момента М от угла нагрузки : М = f(). При этом следует помнить, что в явнополюсных синхронных машинах действуют два момента: основной и реактивный , а в неявнополюсных машинах — только основной момент:

= ;

=. .

Угол нагрузки соответствует номинальному моменту . Максимальный момент синхронной машины определяет перегрузочную способность синхронной машины, что имеет важное значение как для синхронных генераторов, работающих параллельно с сетью, так и для синхронных двигателей. В неявнополюсных синхронных машинах максимальный момент соответствует углу нагрузки = 90°, в явнополюсных машинах < 90° и обычно составляет 60 – 80° в зависимости от соотношения основного и реактивного электромагнитных моментов этой машины.

Для расчета критического угла нагрузки, определяющего перегрузочную способность явнополюсных синхронных машин, можно воспользоваться выражением:

= ,

где

.

При расчетах параметров синхронных машин применяют U-образные характеристики, представляющие собой зависимость тока статора от тока в обмотке возбуждения при постоянной нагрузке . При этом изменение тока в цепи статора происходит лишь за счет его реактивной составляющей . Поэтому регулировка величины тока возбуждения сопровождается одновременным изменением не только тока статора, но и коэффициента мощности . Активная составляющая тока статора при этом остается неизменной. Создавая режим перевозбуждения > , вызывают опережение по фазе тока сети относительно напряжения , что способствует повышению коэффициента мощности в сети.

Энергетические характеристики в синхронной машине зависят от режима ее работы. Если машина работает в режиме генератора, то подводимая к генератору механическая мощность определяется вращающим моментом приводного двигателя и частотой вращения

.

Часть этой мощности расходуется на покрытие механических , магнитных и добавочных потерь. Если возбуждение генератора происходит от возбудителя, приводимого во вращение от общего приводного двигателя, то к перечисленным потерям добавляются еще и потери на возбуждение

,

где и – напряжение и ток в цепи возбуждения; –КПД возбудителя.

Оставшаяся после вычитания перечисленных потерь мощность, представляет собой электромагнитную мощность генератора , которая передается на статор генератора электромагнитным путем. Полезная мощность на выходе генератора меньше электромагнитной мощности на величину электрических потерь в обмотке статора

.

Суммарные потери синхронного генератора

.

Полезная мощность генератора

где – полная мощность на выходе генератора, В× A; – коэффициент мощности в цепи нагрузки генератора.

Если синхронная машина работает в режиме двигателя, то виды потерь остаются прежними, но электрическая мощность на входе двигателя

,

а мощность на выходе двигателя является механической

.

Коэффициент полезного действия синхронной машины

.

Задачи