Конструкция ротора.

В синхронных машинах применяют две различные конструкции ротора: неявнополюсную – с неявно выраженными полюсами (рис. 8.3, а) и явно-полюсную– с явно выраженными полюсами (рис. 8.3, б).

Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1300 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие полюсного деления.

Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя полюсами и более. Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и закрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.

В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей с явнополюсным ротором размещают стержни пусковой обмотки, выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют демпферной (успокоительной) обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то при пуске и переходных режимах в них возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкнутой обмотке.

Питание обмотки возбуждения. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения.

При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины, либо отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель – обычно полупроводниковый. Мощность, необходимая для возбуждения, сравнительно невелика и составляет 0, 3...3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудитель – небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. Основным возбудителем в этом случае может служить синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. Питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, как и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения I_в осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, однако в машинах небольшой мощности применяется регулировка и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

В современных синхронных генераторах применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу.

Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения.

40. Принцип действия синхронного генератора (при работе на автономную нагрузку).

Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более. На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц. Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

41. Реакция якоря неявнополюсного синхронного генератора при работе на автономную нагрузку.

Реакцией якоря называется воздействие поля обмотки якоря на поле обмотки возбуждения. Реакция якоря, т.е. характер действия поля обмотки возбуждения зависит от характера нагрузки. Рассмотрим для простоты частные виды нагрузки (чисто активную 0°, чисто емкостную - 90°, чисто индуктивную 90°).

Когда ЭДС и ток якоря совпадают по фазе, магнитная ось поля реакции якоря Ф_а направлено под 90° по отношению к магнитному полю возбуждения. В теории СМ часто используются сист. корд. жестко связанная с ротором, ось напр. По оси полюсов обозначается буквой d напр. вдоль оси полюсов наз. продольной, а ось проход. между полюсами – поперечной. Поэтому реакцию якоря при чисто активной нагрузке наз. поперечной.

Из рис. видно что при поперечной реакции якоря магнитное поле якоря под одним краем полюса напр. согласно, а под другим краем встречно. Если магнитное система генератора ненасыщенна, то суммарный магнитный поток полюсов не изменяется. При насыщенной магнитной системе суммарный магнитный поток полюсов несколько уменьшается.

При чисто индуктивной нагр. магн. поле якоря направленно встречно обмотке возб. поскольку ток отстает от ЭДС в обм. возб. на 90°.

Т.о. при чисто инд. нагр. поле реакции якоря напр. вдоль оси dd и поэтому явл. продольной, при этом она имеет размагничивающий характер, уменьшается магн. поток в генераторе.

Можно показать что при чисто емкостной нагрузке реакция якоря также явл. продольной, но поле реакции якоря направленно согласно с полем обмотки возбуждения.

42. Реальное магнитное поле неявнополюсной синхронной машины. Уравнение равновесия напряжений и ЭДС неявнополюсного синхронного генератора (m=const) по контуру фазы обмотки якоря. Схема замещения. Векторная диаграмма.

Реальное магн. поле СГ создается токами, обтекающими обмотку якоря и обмотку возбуждения.

В установившемся режиме работы на процессы протекающие в генераторе оказывает влияние:

1. Магн. поток обмотки возбуждения Ф₀.

2. Магн. поток реакции якоря Ф_а.

3. Магн. поток рассеяния якоря Ф_sа.

Деление магн. потока созд. обмоткой якоря на поток реакции и поток рассеяния аналогичен делению магн. потока обмотки статора на поток рассеяния и основной поток. Поток рассеяния Ф_sа в свою очередь можно разбить на несколько составляющих: дифферен., лобового, фазового рассеяния.

Магн. поток возб. индуктирует в обмотке якоря основную ЭДС Е₀. Потоки рассеяния изменяются во времени и поэтому индуктируются соответствующие ЭДС:

Ф_а®Е_а, Ф_sа ®Е_sа.

По второму закону Кирхгофа:

U = E ₀ + E _a + Е _sа – r× I,

E _a = -j× x_a× I,

E _sa = -j× x_sa× I,

U = E ₀ – j× x_a× I – j× x_sa× I – r× I,

x_c = x_a + x_sa – синхронное индуктивное сопротивление.

U = E ₀ – j× x_с× I – r× I, - уравнение электрического равновесия.

Для простоты пренебрегают r× I,.

43. Реакция якоря явнополюсного синхронного генератора. Метод двух реакций (Блонделя). Реакция якоря при смешанной нагрузке. Уравнение равновесия напряжений и ЭДС (m=const) по контуру фазы обмотки якоря. Векторная диаграмма.

Подобна реакции якоря неявнополюсной машины. Зазор между статором и ротором неравномерный. Под полюсами минимальный, а в междуполюсном пространстве достаточно большой. Это приводит к тому что поле реакции якоря зависит от характера нагрузки. При одной и той же МДС обмотки якоря магн. поле при продольной реак. якоря значительно больше чем при поперечной. Это приводит к тому, что индуктивное сопротивление реак. якоря х_а зависит от характера нагрузки.

Метод предлагаемый Блонделем:

Предполагался что результирующий магн. поток реак. якоря состоит их двух независимых составляющих продольной и поперечной Ф_а = Ф_da + Ф_qa.

В соответствии с этим считали что каждая из составляющих состоит из двух составляющих F _a = F _d + F _q. I = I _d + I _q.

В соответствии с методом двух реакций, каждая составляющая потока наводит собственную ЭДС.

Ф_da®E_da, Ф_qa®E_qa.

Действе ЭДС изменяется падением напряжения

E _da = j× x_da× I, E _qa = j× x_qa× I.

x_da – продольное индуктивное сопротивление реакции якоря,

x_qa – поперечное индуктивное сопротивление реакции якоря.

U = E ₀ – j× x_da× I – j× x_qa× I – j× x_sa× I – r× I,

x_d = x_da + x_sa – продольное синхронное индуктивное сопротивление,

x_q = x_qa + x_sa – поперечное синхронное индуктивное сопротивление.

U = E ₀ – j× x_d× I – j× x_q× I – r× I, - уравнение электрического равновесия явнополюсного СГ. Аналогично пренебрегаем r× I.

44. Характеристики синхронного генератора при работе на автономную нагрузку.

Общими условиями для снятия характеристик:

1. Постоянство частоты вращения n = n_п = const.

2. при снятии характеристик характер нагрузки не должен меняться j = const.

а) Характеристика ХХ. Зависимость Е₀ = f(I_в). I_a = 0. Поэтому U_xx = E₀.

Имеет вид характерный для большинства типов генераторов. Поскольку ЭДС Е₀~Ф_от, то характеристика ХХ по виду аналогична характеристике намагничивания генератора Ф_от = f(I_в). При I_в = 0 будет Е₀ = Е_ост. При повышении I_в, Е₀ изменяется вначале по линейному закону, а затем рост ЭДС Е₀ замедляется. Замедление обуславливается насыщением магн. системы генератора Е_ост = (1, 5¸ 2, 5%U_н).

б) Внешняя характеристика генератора. Наз. зависимость U = f(I). При условии, что I_в = const. Обычно снимается семейство характеристик при различных характерах нагрузки.

Изменение напряжения зависит от характера нагрузки. Рассмотрим для примера акт.-инд. нагрузку. С ростом I напряжение падает. Это вызвано:

1. Размагничивающим действием реакции якоря.

2. Падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлении рассеяния. DU% = 20¸ 30.

в) Регулировочные характеристики I_в = f(I) наз. зависимостью тока возбуждения от тока якоря при изменении нагрузки при условии, что напряжение постоянно. Вид регулировочной характеристики определяется видом внешних характеристик. Для того чтобы напряжение поддерживать постоянным, с ростом тока якоря, необходимо увеличивать ток возбуждения.

U = E ₀ – j× x_d× I – j× x_q× I – r× I,

46. Характеристика трехфазного КЗ синхронного генератора. Отношение короткого замыкания.

Зависимость I_кз = f(I_в) при условии U = 0(КЗ)

В режиме КЗ.

U = E ₀ – j× x_d× I = 0,

Характеристика КЗ имеет вид прямой, в отличии от характеристики ХХ.

По характеристике КЗ можно определить ненасыщенное значение x_d = Е’₀/I_к.

Е’₀ – значение ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря полем возбуждения, соответствует спрямленной характеристике ХХ.

Е’₀ соответствует ненасыщенному состоянию магнитопровода.

По характеристике можно определить весьма важный параметр, который наз. отношением КЗ.

Отношением КЗ наз. коэф. К_озк = I_кн/I_н равен отношению тока короткого замыкания соответствующего току возбуждения, при котором Е’₀ = U_ном, к номинальном току якоря. Выразим ОКЗ через параметры генератора используя систему относительных единиц.

U_н и I_н – базовые значения.

Z_б = U_н/I_н –базисное сопротивление.

К_озк = I_кн/I_н = (I_кн/I_н)× (U_н/U_н) = Z_б× (I_кн/U_н) = Z_б× (1/x_d) = 1/x_d*.

x_d* - относительное значение x_d.

x_d* = 0, 5¸ 1, 6.

47. Параллельная работа синхронного генератора на сеть большой мощности. Условия включения. Методы синхронизации.

В этом случае можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т. е., что напряжение сети U_с и ее частота f_с являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя.

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u_с и генератора u_г:

U_cmsin(w_ct-a_c)=U_гmsin(wt-a_г)

На практике выполнение этого условия сводится к выполнению трех равенств: равенства напряжений сети и генератора U_cm =U_гm или U_c=U_г; частот w_c=w_г или f_c=f_г; их начальных фаз a_c=a_г (совпадение по фазе векторов U_c и U_г).Кроме того для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f_c»f_г, а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений U_c=U_г. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (a_c=a_г) контролируется специальными приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами.

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, поэтому обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети. Лампы мигают с частотой Df. При f_c»f_г разность Du изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений Du=u_c-u_г на короткое время становится близкой к нулю, т. е. В середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов U_c и U_г. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n₂=n₁, происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при f_c=f_г стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот f_c -f_г, в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f_c=f_г стрелка устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуцированием тока в демпферной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока, который не должен превышать 3.5I_{а ном}.

49. Режимы работы синхронной машины при параллельной работе с сетью. Регулирование активной мощности синхронной машины.

После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети U_c. Относительно внешней нагрузки напряжения U и U_c совпадают по фазе, а по контуру «генератор–сеть» находятся в противофазе, т.е. U=-U_c(рис. 8.23, а). При точном выполнении указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I_a после подключения машины к сети равняется нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I_a при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (8.23):

I_a =(E₀-U)/(jX_сн)=-j(E₀-U)/X_сн (8.28)

Так как U=U_c=const, то силу тока I_a можно изменять только двумя способами–изменяя ЭДС Е₀ по величине или по фазе.

Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор E₀ смещается относительно вектора U на некоторый угол q в направлении вращения векторов (рис. 8.23, 6). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС DЕ, приводящая, согласно (8.28), к появлению, тока I_a. Возникающую небалансную ЭДС DE=E₀-U=E₀+U_c= jI_aX_сн можно показать на векторной диаграмме (рис. 8.23,). Вектор тока I_a отстает от вектора D Е на 90°, поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением Х_сн.

При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность Р=mUI_acosj и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол q, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор E₀ будет отставать от вектора напряжения U на угол q (рис. 8.23, в). При этом возникают небалансная ЭДС АЁ и ток /д, вектор которого отстает от вектора DE на 90°. Так как угол j> 90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р=mUI_acosj забирается из сети, и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки–уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим.

50. Регулирование реактивной мощности. U-образные характеристики.

Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого

хода (рис. 8.24, а), увеличить ток возбуждения I_В то возрастет ЭДС Е₀ (рис. 8.24, 6), возникнет небалансная ЭДС DE=- jI_aX_сн и по обмотке якоря будет проходить ток I_a, который, согласно (8.28), определяется только индуктивным сопротивлением X_сн машины. Следовательно, ток I_a реактивный: он отстает по фазе от напряжения U на угол 90° или опережает на тот же угол напряжение сети U_c. При уменьшении тока возбуждения ток I_a изменяет свое направление; он опережает на 90° напряжение

U (рис. 8.24, в) и отстает на 90° от DE и напряжения U_c. Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_a, т. е. реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока I_a в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р=0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой создаются те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_a, т. е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины с током I_В.П при котором реактивная составляющая тока I_a равна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I_в, больше тока I_в.п, при котором имеется режим полного возбуждения, то ток I_a содержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения I_в, меньше тока I_в.п, то ток I_a, содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Перевозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна емкости. Машину, специально предназначенную для работы в таком режиме, называют синхронным компенсатором и используют для повышения коэффициента мощности

электрических установок и стабилизации напряжения в электрических сетях. Не-довозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна индуктивности.

Возникновение реактивной составляющей тока I_a физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток, сцепленный с каждой из фаз ,

не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

U=E₀+E_a+E_da=-U_c=const. (8.29)

Следовательно, если ток возбуждения I_в больше тока, требуемого для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I_a, которая создает размагничивающий поток реакции якоря Ф_a; если ток I_в меньше тока, необходимого для полного возбуждения, то возникает опережающая составляющая тока I_a, которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф_a. Во всех случаях суммарный поток машины автоматически поддерживается неизменным.

Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая U-образной характеристикой, представлена на рис. 8.25. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбуждения, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем больше ток возбуждения, соответствующий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная через минимумы токов, соответствует режимам работы генератора с сosj=1.

48.Зависимость электромагнитной мощности и электромагнитного момента синхронной машины от угла нагрузки. Угловая характеристика. Статическая устойчивость синхронной машины.

Чтобы установить, как зависит активная мощность Р синхронной машины от угла нагрузки q, рассмотрим упрощенные векторные диаграммы, построенные при R_a=0.

Активная мощность. Из диаграммы, приведенной на рис. 8.26, а для неявнополюсной машины, можно установить, что общая сторона треугольников ОАВ и АСВ АВ= OА sinq=ACcosj или с учетом модулей соответствующих векторов

Следовательно, активная мощность синхронной машины

Векторная диаграмма для явнополюсной машины приведена на рис. 8.26, б. Так как j=y-q, то активная мощность

Чтобы определить токи I_d и I_q спроецируем модули векторов ЭДС E₀, напряжения U, падений напряжений jI_dX_d и – jI_aX_a на оси–параллельную и перпендикулярную вектору E₀. Тогда Ео=Ucosq+ jI_dX_d; Usinq= I_qX_q, откуда

Подставляя значение I_d и I_q в (6.32), получаем

или, используя формулу sin2q=2sinqcosq,

Электромагнитный момент. В синхронных машинах большой и средней мощности потери мощности в обмотке якоря DP_аэл=mI_а²R_а малы по сравнению с электрической мощностью Р, отдаваемой (в генераторе) или потребляемой (в двигателе) обмоткой якоря. Следовательно, если пренебречь величиной DP_аэл, то можно считать, что электромагнитная мощность машины P_эм =Р. Электромагнитный момент пропорционален мощности и P_эм, поэтому для неявнополюсной и явнополюсной машин соответственно

При неявнополюсной машине зависимость М=f(q) представляет собой синусоиду, симметричную относительно осей координат (рис. 8.27). При явнополюсной машине из-за неодинаковой магнитной проводимости по различным осям (X_d=X_q) возникает реактивный момент,

Он появляется в результате стремления ротора ориентироваться по оси результирующего поля, что несколько искажает синусоидальную зависимость М=f(q). Реактивный

момент возникает даже при отсутствии тока возбуждения (когда Ео=0);

он пропорционален sin2q.

Так как электромагнитная мощность Р_эм, пропорциональна моменту, то приведенные на рис. 8.27 характеристики в другом масштабе представляют собой зависимости Р_эм=f(q) или при принятом предположении (D Р_аэл =0) – зависимости Р=f(q). Кривые М=f(q)и Р_эм=f(q) называют угловыми характеристиками.

Физически полученная форма кривой М=f(q)

обусловлена тем, что потоки Ф_в и сдвинуты между собой на тот же угол q, на который сдвинуты векторы E₀ и U (векторы Ф_в и опережают Е и U на 90°). Поэтому если угол q=0 (холостой ход), то между ротором и статором существуют только силы притяжения f, направленные радиально, и электромагнитный момент равен нулю.

При q > 0 (генераторный режим) ось потока возбуждения Ф_в (полюсов ротора) под действием вращающего момента М_вн опережает ось суммарного потока на угол q, вследствие чего электромагнитные силы, возникающие между ротором и статором, образуют тангенциальные составляющие, которые создают электромагнитный тормозной момент М. Максимум момента соответствует значению q = 90°, когда ось полюсов ротора расположена между осями «полюсов» суммарного потока . При q < 0 (двигательный режим) ось потока возбуждения под действием тормозного момента нагрузки М_вн отстает от оси суммарного потока, вследствие чего тангенциальные составляющие электромагнитных сил, возникающие между ротором и статором, создают электромагнитный вращающий момент М.

54. Синхронные компенсаторы. Область применения. Работа в режиме компенсации реактивной мощности и в режиме стабилизации напряжения.

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения соsj или в режиме стабилизации напряжения.

Обычно электрическая сеть, питающая электроэнергией промышленные предприятия, нагружена током I_н, отстающим по фазе от напряжения сети U_c (рис. 8.42, а). Это объясняется тем, что от сети получают питание асинхронные двигатели, у которых реактивная составляющая тока довольно велика. Для улучшения соsj сети синхронный компенсатор должен работать в режиме перевозбуждения.. При этом ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I_a синхронного компенсатора опережал на 90°напряжения сети U_c (рис. 8.42, а) и был примерно равен реактивной составляющей I_нр тока нагрузки I_н. В результате сеть загружается только активным током нагрузки I_с =I_на

При работе в режиме стабилизации напряжения ток возбуждения синхронного компенсатора устанавливается постоянным, причем такого значения, чтобы электродвижущая сила компенсатора Е₀ равнялась номинальному напряжению сети U_с.ном (рис. 8.42, 6). В сети при этом имеется некоторый ток I_н, создающий падение напряжения DU»I_нR_сcosj+I_нX_сsinj, где R_с и Х_с– активное и индуктивное сопротивления сети; j–угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Если напряжение сети в точке подключения синхронного компенсатора несколько понижается из-за возрастания тока нагрузки I_н и становится меньше U_{с ном} то синхронный компенсатор начинает забирать из сети реактивный опережающий ток I_a (рис. 8.42, в). Это уменьшает падение напряжения в ней на величину DU_к=I_aX_с. При повышении напряжения в сети, когда U_c > U_с.ном' синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током I_a (рис. 8.42, г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину DU_к=I_aX_с. При достаточной мощности синхронного компенсатора колебания напряжения в сети не превышают 0, 5... 1, 0%. Недостатком указанного метода стабилизации напряжения является то, что синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

53. Способы пуска синхронных двигателей.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Метод асинхронного пуска. В настоящее время чаще всего применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током I_п в пусковой обмотке (рис8.38, а), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 8.38, б, обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого R_доб превышает в 8... 12 раз активное сопротивление R_в обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s»0, 05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s> 0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется электродвижущая сила Е= 4, 44f₂w_вФ_m==4, 4f₁sw_вФ_m; где f₂=f₁s –частота изменения тока в обмотке

возбуждения; w_в–число витков обмотки возбуждения;

Ф_m–амплитуда магнитного вращающегося поля.

В начальный момент пуска при s=1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Е_в может достигать весьма большого значения и вы'-звать пробой изоляции.

При схеме, изображенной на рис. 8.38, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением R_в весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до 5 =0, 3... 0, 4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s»0, 05 втягивание ротора в синхронизм.

Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 8.38, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная, схема, приведенная на рис. 8.38, 6. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик являетя возникновение одноосного эффекта–влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение гасящего сопротивления в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 8.38, 6) на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток, что может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента–не более 50% от номинального, при сравнительно небольшой мощности двигателя.

59.Составляющие тока якоря трехфазного синхронного генератора при внезапном симметричном коротком замыкании. Ударный ток короткого замыкания. Возможные последствия ВКЗ.

Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря i_к в одной из фаз генератора, тока возбуждения i_в и тока i_д в демпферной обмотке показаны на рис. 8.43. Ток якоря при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

i_к = i_к.п +I_к.а (8.49)

При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей тока генератора (рис. 8.44); в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:

Быстрому уменьшению ЭДС Е и потока Ф_рез препятствует

появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 8.43, б) вследствие того, что в ней индуцируется ЭДС

e_в=-w_вdФ_рез /dt.

Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествующего короткому замыканию. В соответствии с этим снижаются поток Ф_рез и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды

I_устm=E_m/X_d’ (8.51)

X_d – продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря;

Поскольку амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания постепенно затухает, приближаясь к установившемуся значению I_кm, и индуктивное сопротивление синхронной машины значительно больше активного, т. е. угол j_к=arctg(X_к/R_к)»p/2, то периодическая составляющая

Апериодические составляющие токов в фазах якоря создают неподвижное в пространстве магнитное поле, которое пересекает вращающийся ротор. Вследствие этого в обмотках ротора возникают периодические ЭДС и токи. Так как по продольной и поперечной осям ротор несимметричен (из-за разных величин воздушного зазора в явнополюсных машинах и из-за того, что по продольной оси имеется обмотка возбуждения), то в апериодическом токе якоря появляется переменная составляющая двойной частоты:

Значение тока к. з. максимально в той фазе, где a_о=0 (примерно через полпериода после начала короткого замыкания); это значение называют ударным током. Если в формуле (8.57) пренебречь затуханием тока, то

Поскольку постоянные времени T’’ _d и T’ _d малы, некоторое затухание все же происходит. По ГОСТу значение ударного тока

где коэффициентами 1, 8 и 1, 05 учитываются соответственно затухание и возможность работы при повышенном напряжении. Значение ударного тока не должно превышать амплитуду номинального тока якоря более чем в 15 раз. Так как значения T’’ _d и T’ _d сравнительно малы, то для ограничения ударного тока в цепь якоря иногда ставят специальный реактор.

При коротком замыкании синхронного генератора возникает также знакопеременный момент на валу ротора, который образуется в результате взаимодействия неизменного по направлению магнитного поля, создаваемого апериодической составляющей тока якоря с МДС возбуждения. В наиболее неблагоприятных случаях мгновенные значения этого момента достигают 10-кратного значения по сравнению с номинальным значением, что необходимо учитывать при механических расчетах деталей машины и надежности ее крепления к фундаменту.

55. Переходные процессы в синхронных машинах.

Процессы, возникающие в синхронных машинах при переходных режимах, например при внезапном коротком замыкании или резком изменении нагрузки, весьма сложны, что вызывает значительные трудности при их точном количественном расчете. Однако поведение синхронной машины при указанных режимах имеет очень большое практическое значение, так как переходные процессы могут вызвать повреждение машины, а следовательно, и значительные убытки, связанные с перерывом энергоснабжения объектов, получающих питание от генератора, или прекращением работы электроприводов с синхронными двигателями. Поэтому необходимо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно значение аварийных токов, возникающих при коротком замыкании.

Внезапное короткое • замыкание генератора. Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря i_к в одной из фаз генератора, тока возбуждения i_в и тока i_д в демпферной обмотке показаны на рис. 8.43. Ток якоря при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

i_к = i_к.п +I_к.а (8.49)

При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей тока генератора (рис. 8.44); в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:

Быстрому уменьшению ЭДС Е и потока Ф_рез препятствует

появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 8.43, б) вследствие того, что в ней индуцируется ЭДС

e_в=-w_вdФ_рез /dt.

Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествующего короткому замыканию. В соответствии с этим снижаются поток Ф_рез и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды

I_устm=E_m/X_d’ (8.51)

X_d – продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря;

Поскольку амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания постепенно затухает, приближаясь к установившемуся значению I_кm, и индуктивное сопротивление синхронной машины значительно больше активного, т. е. угол j_к=arctg(X_к/R_к)»p/2, то периодическая составляющая

Апериодические составляющие токов в фазах якоря создают неподвижное в пространстве магнитное поле, которое пересекает вращающийся ротор. Вследствие этого в обмотках ротора возникают периодические ЭДС и токи. Так как по продольной и поперечной осям ротор несимметричен (из-за разных величин воздушного зазора в явнополюсных машинах и из-за того, что по продольной оси имеется обмотка возбуждения), то в апериодическом токе якоря появляется переменная составляющая двойной частоты:

Значение тока к. з. максимально в той фазе, где a_о=0 (примерно через полпериода после начала короткого замыкания); это значение называют ударным током. Если в формуле (8.57) пренебречь затуханием тока, то

Поскольку постоянные времени T’’ _d и T’ _d малы, некоторое затухание все же происходит. По ГОСТу значение ударного тока

где коэффициентами 1, 8 и 1, 05 учитываются соответственно затухание и возможность работы при повышенном напряжении. Значение ударного тока не должно превышать амплитуду номинального тока якоря более чем в 15 раз. Так как значения T’’ _d и T’ _d сравнительно малы, то для ограничения ударного тока в цепь якоря иногда ставят специальный реактор.

При коротком замыкании синхронного генератора возникает также знакопеременный момент на валу ротора, который образуется в результате взаимодействия неизменного по направлению магнитного поля, создаваемого апериодической составляющей тока якоря с МДС возбуждения. В наиболее неблагоприятных случаях мгновенные значения этого момента достигают 10-кратного значения по сравнению с номинальным значением, что необходимо учитывать при механических расчетах деталей машины и надежности ее крепления к фундаменту.

Резкие изменения нагрузки. При резких изменениях нагрузки синхронной машины, работающей параллельно с сетью,

возникают колебания ротора около установившегося значения угла 9, называемые качаниями. Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент М₁=М_вн1, соответствующий углу q (рис. 8.45, а, б). Если резко увеличить внешний момент, приложенный к валу ротора, до значения М_вн2, при котором возрастает отдаваемая машиной электрическая (в генераторе) или механическая (в двигателе) мощность, то угол q будет постепенно увеличиваться до значения q₂, соответствующего новому значению электромагнитного момента М₂=М_вн2- Однако из-за инерции ротора угол q, увеличиваясь, достигает значения q₃> q₂, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до

значения q₄< q₂. В результате возникают колебания угла q вокруг установившегося значения q₂, которые сопровождаются колебаниями частоты вращения ротора (качаниями). Опасность таких качаний заключается в том, что из-за инерции ротора угол q может существенно превысить 90°, и машина выпадает из синхронизма.

Частота собственных колебаний синхронных машин невелика (9, 5...2, 9 Гц), что объясняется большим моментом инерции ротора. Так как изменения угла q сопровождаются изменениями мощности машины и тока якоря, на наличие колебаний в машине указывают колебания стрелок приборов (амперметра и вольтметра), включенных в цепь якоря. Собственные колебания в синхронных машинах наблюдаются не только при резких изменениях нагрузки, но и в стационарных режимах, так как у машин, работающих параллельно с сетью, всегда имеются небольшие возмущения. Особенно часто такие колебания возникают при холостом ходе, когда на валу нет внешнего момента.

Уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания достигают путем применения на роторе короткозамкну-той обмотки, называемой демпферной или успокоительной. Успокоительное действие демпферной обмотки при качаниях объясняется тем, что в ее стержнях при изменении частоты вращения ротора индуцируется ЭДС, по ним проходит ток и возникают потери энергии. Действие этой обмотки подобно действию механического демпфера, потери на трение в котором успокаивают колебания механизма (например, сельсина).

Колебания ротора синхронной машины могут быть вынужденными, если на него действует периодически изменяющийся внешний момент. Такие колебания образуются в синхронных генераторах, приводимых во вращение от поршневых машин, например от двигателей внутреннего сгорания, а также в синхронных двигателях, служащих для привода поршневых компрессоров. Поэтому для уменьшения неравномерности вращающего момента двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для вращения синхронных генераторов, и поршневые компрессоры часто имеют маховик. Генераторы и электродвигатели должны в этом случае иметь достаточно мощную демпферную обмотку.

51. Синхронные двигатели. Область применения. Устройство.

Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валуротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети по соотношению n₁=n₂=60f₁/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока;

их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода. В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы. Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, гидрогенераторы–гидротурбинами, дизель-генераторы –двигателями внутреннего сгорания. Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения. Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.

В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широко применяются различные синхронные микромашины–с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

Принцип действия. Статор 1 синхронной машины (рис. 8.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис. 8.1, б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

f₁=pn₂/60 (8.1)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток I_a создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁=60 f₁/p

Из (8.1) и (8.2) следует, что п₁=п₂, т.е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис. 8.1) статор является якорем, а ротор–индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения–вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током, –на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (8.2). В результате взаимодействия этого поля с током I_в, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме –тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения п₁=п₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п₁=п₂,

б) частота изменения ЭДС Е, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индуцируется; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.

60. Область применения машин постоянного тока

Машина постоянного тока как и любая электрическая машина обратима: может работать как генератор и как двигатель. Причем двигатели нашли большее применение, чем генераторы. Эл. Машины пост. тока нашли широкое применение в различных областях промышленности. Достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавно регулировать частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а так же для привода различного технологического оборудования. Генераторы пост. тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, например в радиотехнических установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн. Общий недостаток у мешин пост. тока – сложность конструкции, искрение в коллекторно- щеточном аппарате.

Машина постоянного тока конструктивно состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора. Статор и