Материал: 2416

8.3. Принцип действия синхронной машины

Магнитное поле, создаваемое током возбуждения ротора, называется основным. Магнитная цепь машины симметричная (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Устройство магнитной системы синхронной машины с явнополюсным (а) и неявнополюсным (б) роторами

Для получения синусоидальной ЭДС в проводах фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем тока ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора. В явнополюсной машине это достигается увеличением ширины воздушного зазора от середины полюса к краям. В быстроходных машинах с неявными полюсами используется соответствующее распределение обмотки возбуждения вдоль окружности ротора. У синхронной машины обмотки статора и ротора имеют одинаковое число пар полюсов p.

Когда синхронная машина работает в режиме генератора, ротор вращается турбиной или приводным двигателем. При вращении магнитное поле ротора по отношению к неподвижной трехфазной обмотке статора изменяется синусоидально во времени, что вызывает наведение в каждой фазе синусоидальных ЭДС, равных по амплитуде, но сдвинутых по фазе друг относительно друга на одну треть периода. Частота ЭДС пропорциональна частоте вращения ротора

где n2 – частота вращения ротора; об/мин; р – число пар полюсов. Таким образом, синхронный генератор является симметричным

трехфазным источником электроэнергии, т. е. преобразует механиче-

175

скую энергию турбины (приводного двигателя) в электрическую энергию трехфазного тока.

При работе генератора в режиме холостого хода магнитные оси полюсов статора Nc, Sc и полюсов ротора Nр, Sр (рис. 8.6, а) совпадают. При подключении к обмотке статора синхронного генератора трехфазной нагрузки появляются токи статора, которые создают вращающееся магнитное поле. Это поле вращается синхронно с полем ротора, и, следовательно, они неподвижны друг относительно друга. Активная составляющая тока, протекающего через обмотку статора, создает тормозной электромагнитный момент, который должен преодолеваться турбиной или приводным двигателем. Наличие тормозного момента приводит к тому, что магнитная ось статора смещается относительно магнитной оси полюса ротора в сторону отставания тем больше, чем больше активная нагрузка генератора, т.е. чем больше тормозной момент. Угол между магнитными осями полюсов ротора и поля статора называется углом рассогласования θ (см. рис. 8.6, а).

Когда синхронная машина работает в режиме двигателя, обмотка статора подключается к трехфазной сети. При этом, как и в статоре асинхронного двигателя, возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля

а б

Рис. 8.6. Появление угла рассогласования θ синхронного генератора (а) и синхронного двигателя (б): Nc, Sc – полюсы статора; Nр, Sр – полюсы ротора

Обмотка возбуждения ротора подключена к источнику постоянного напряжения и создает постоянное магнитное поле. Таким обра-

176

зом, ротор является постоянным магнитом, находящимся в магнитном поле статора. При этом полюс магнитного поля статора притягивает противоположный полюс ротора, стремясь совместить их магнитные оси, т.е. полюсы вращающегося магнитного поля статора ведут за собой полюсы ротора. При работе двигателя в режиме холостого хода, пренебрегая потерями на трение в подшипниках и вентиляционными потерями, можно считать, что магнитные оси полюсов статора Nc, Sc и полюсов ротора Nр, Sр (рис. 8.6, б) совпадают.

Появление на валу двигателя механической нагрузки приводит к возникновению тормозного момента, в результате чего ось полюсов ротора отстает от оси полюсов вращающегося магнитного поля статора на угол рассогласования θ (см. рис. 8.6, б), величина которого зависит от момента нагрузки на валу двигателя. С увеличением момента нагрузки усиливается торможение ротора, магнитные линии «растягиваются» и увеличивается угол рассогласования.

8.4. Механическая характеристика синхронного двигателя

вращаются синхронно (n2=n1). Таким образом, частота вращения ротора определяется частотой вращения магнитного поля статора и не зави-

сит от момента нагрузки на валу. Механическая характеристика синхронного двигателя представлена на рис. 8.7.

8.5.Особенности пуска синхронного двигателя

Врежиме пуска, когда ротор неподвижен, магнитное поле статора вращается относительно неподвижного ротора с синхронной час-

тотой n1. Ротор обладает значительной массой и моментом инерции. Вращающееся магнитное поле статора действует на неподвижный, возбужденный постоянным током ротор со знакопеременной силой, не создающей момента. При этом ротор остается неподвижным. Для пуска синхронного двигателя его ротор снабжают специальной

177

го двигателя при скольжении S=0).

8.6. Схема замещения и уравнения электрического состояния синхронной машины

Трехфазная электрическая система большой мощности состоит из большого числа трехфазных источников и приемников электрической энергии, работающих параллельно. Можно считать, что частичное изменение числа источников и приемников электрической энергии в системе большой мощности не влияет на режим ее работы. Поэтому напряжение на общих шинах системы и частоту можно считать постоянными величинами.

Приведенные здесь схемы замещения и соответствующие им векторные диаграммы справедливы для неявнополюсных и ненасыщенных машин.

178

Схема замещения одной фазы синхронного генератора изображена на рис. 8.9, а. При вращении ротора с постоянным магнитным полем в каждой фазе обмотки статора наводятся ЭДС, которые определяют напряжения на зажимах обмотки статора генератора. ЭДС одной фазы обмотки статора в схеме замещения представлена идеальным источником ЭДС Е.

При подключении к обмотке статора приемника электроэнергии ZН появляется ток I. Этот ток, протекая через фазу обмотки статора, создает свое магнитное поле, которое наводит в фазе обмотки статора ЭДС самоиндукции. Данное явление отражено в схеме замещения индуктивным элементом с сопротивлением XL1 (см. рис. 8.9, а).

Схема замещения одной фазы синхронного двигателя изображена на рис. 8.9, б. В синхронном двигателе при вращении ротора с постоянным магнитным полем в фазе обмотки статора наводится ЭДС Е, подобно ЭДС синхронного генератора. Эта ЭДС уравновешивает напряжение U источника, подключенного к фазе обмотки статора. Ее называют противоЭДС. Создание противоЭДС в фазе обмотки статора синхронного двигателя отражается в схеме замещения идеальным источником ЭДС Е (см. рис. 8.9, б). Ток статора синхронного двигателя также создает магнитное поле, которое наводит в фазе обмотки статора ЭДС самоиндукции. Это учитывается в схеме замещения индуктивным элементом с сопротивлением XL1.

Так как активное сопротивление фазы обмотки статора пренебрежимо мало, в схемах замещения (см. рис. 8.9, а, б) оно не учитывается.

Схемы замещения позволяют составить уравнения электрического состояния синхронного генератора и синхронного двигателя.

Уравнение электрического состояния синхронного генератора по второму закону Кирхгофа для его схемы замещения (см. рис. 8.9, а) имеет вид

Уравнение электрического состояния синхронного двигателя по второму закону Кирхгофа для схемы его замещения (см. рис. 8.9, б) имеет вид

Схемы замещения и уравнения электрического состояния позволяют анализировать режимы работы синхронных машин.

179