Синхронные машины

Лекция от 13. 04. 2020 Синхронные машины Синхронные машины (СМ) применяются практически во всех функциональных классах электрических машин. Особо широко в качестве управляемых маломощных двигателей систем автоматического управления и как мощные турбо и гидрогенераторы, для создания мощных энергетических сетей. СМ обладают лучшей по сравнению с другими типами машин обратимостью, т.е. эксплуатационные показатели мало меняются с переходом двигателя в режим генератора и наоборот. Устройство Синхронная машина относится к классу машин переменного тока, однако для ее работы может понадобиться и источник постоянного тока (в случае электромагнитного возбуждения). Конструкция традиционна: ротор располагается соосно внутри статора. Роль якоря выполняет статор. Его конструкция полностью подобна конструкции статора асинхронной машины. Это ферромагнитный полый цилиндр, по внутренней образующей которого укладывается трехфазная обмотка, равномерно распределенная по пазам. Угол между осями фаз обмотки составляет 120о. Число полюсов обмотки статора строго равно числу полюсов ротора. Элементы крепления такие же, как в АМ. Ротор СМ выполняет функции индуктора. Для маломощных машин он может быть выполнен в виде постоянного магнита в форме многолучевой звезды с чередующейся полярностью полюсов (магнитоэлектрическое возбуждение). Для машин средней и большой мощности ротор представляет собой электромагнит постоянного тока с неявными или явными полюсами (1) и обмоткой возбуждения(2), подключаемой через два контактных кольца и металлографитные щетки к цепи постоянного тока (электромагнитное возбуждение). Роторы с явно выраженными полюсами применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; и имеют значительное число полюсов. Обмотка возбуждения имеет форму катушки и насаживается на полюса. С внешней части обмотка поджимается шихтованными полюсными наконечниками. Поверхность полюсного наконечника имеет такой профиль, обеспечивающий распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил. Ротор с неявно выраженными полюсами обладает значительно большей механической прочностью. Сердечник его изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются продольные пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения. Одна треть полюсного деления свободна от пазов и представляет неявновыраженный полюс, который называется большой зуб («big tooth»). Работа СМ в режиме генератора. При подключении обмотки возбуждения к источнику постоянного тока и вращении ротора с угловой скоростью ω внешним источником механической энергии, вращающееся статическое магнитное поле пересекает витки якорной обмотки, индуцируя в них трехфазную ЭДС: 𝑒𝑒𝑜𝑜 = 𝑑𝑑Фв , или для действующего значения 1 1 2𝜋𝜋𝑝𝑝 𝑝𝑝𝑝𝑝 𝐸𝐸𝑜𝑜 = ∙ 𝑤𝑤𝑎𝑎 𝑘𝑘об ∙ 𝜔𝜔Ф𝑚𝑚в = 𝑤𝑤𝑎𝑎эф ∙ 𝑛𝑛 ∙ Ф𝑚𝑚в = 4,44 ∙ 𝑤𝑤𝑎𝑎эф Ф 60 60 𝑚𝑚в √2 √2 где р - число пар полюсов, 𝑘𝑘об – обмоточный коэффициент, 𝑤𝑤𝑎𝑎эф = 𝑤𝑤𝑎𝑎 𝑘𝑘об – эффективное число витков якорной обмотки. 𝑝𝑝𝑝𝑝 Частота генерируемой ЭДС жестко связана со скоростью вращения 𝑓𝑓 = . 60 Не трудно видеть, что зависимость ЭДС от тока возбуждения повторяет по форме характе𝑤𝑤в∙𝜇𝜇𝑎𝑎 𝑆𝑆 ристику намагничивания магнитопровода статора: 𝐸𝐸𝑜𝑜 ~Фв = ∙ 𝐼𝐼в . −𝑤𝑤𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙 Характеристика 𝐸𝐸𝑜𝑜 = 𝑓𝑓(𝐼𝐼в ) при разомкнутой якорной цепи (𝐼𝐼𝑎𝑎 = 0) называется характеристикой холостого хода. Если замкнуть якорную цепь на какую-либо нагрузку, в цепи якоря потечет ток, который создаст свое вращающееся магнитное поле Фа . Частота вращения этого поля называется синхронной скоростью вращения синхронной машины 60 ∙ 𝑓𝑓 𝑛𝑛𝑜𝑜 = 𝑝𝑝 При подстановке выражения для частоты индуцированной ЭДС получим, что частота вращения ротора и частота вращения поля равны 𝑛𝑛 = 𝑛𝑛𝑜𝑜 , т.е. вращения ротора и магнитного поля якоря синхронны. Отсюда и название машин этого класса. Реакция якоря Реакцией якоря называют изменение магнитного потока в рабочем зазоре машины за счет наложения магнитного потока якоря. Магнитные поля ротора и статора неподвижны относительно друг друга, поэтому характер и степень взаимодействия полей будут зависеть от фазового сдвига тока якоря и индуцированной ЭДС, т.е. от характера и величины нагрузки. Чтобы учесть магнитную асимметрию рабочего воздушного зазора электрических машин, принято ось машины, совпадающую с осью главных полюсов, называть продольной осью – d, а электрически ортогональную ей – поперечной осью машины q Рассмотрим проявление реакции якоря на примере двухполюсного синхронного генератора, работающего на различную по характеру нагрузку. а). Нагрузка резистивная, 𝜓𝜓 = 0. Предположим, что в рассматриваемый момент величина ЭДС фазы А максимальна. Так как 𝜓𝜓 = 0, то ток фазы А тоже максимальный. Направления ЭДС и токов можно определить по правилу правой руки. При этом магнитный поток Фа обмотки якоря направлен поперек оси полюсов. Следовательно, при 𝜓𝜓 = 0 поле реакции якоря является чисто поперечным (ось машины, совпадающая с осью главных полюсов, называется продольной осью – d, электрически ортогональная ось –q называется поперечной осью машины) и вызывает искажение поля возбуждения, а именно: сбегающая часть полюса подмагничивается, а набегающая – размагничивается (направление поля возбуждения от N к S). При этом результирующий магнитный поток машины Ф поворачивается относительно потока ротора Фв на некоторый угол θ в направлении, противоположном направлению вращению ротора. Кроме того, поле поперечной реакции якоря индуктирует ЭДС в обмотке якоря, которая векторно суммируется с основной ЭДС 𝐸𝐸𝑜𝑜 , давая результирующую ЭДС на якорных обмотках 𝐸𝐸1 . В действительности, вследствие насыщения магнитопровода, сложение магнитных полей в сбегающей части полюса не компенсирует их вычитания в набегающей. Поэтому среднее магнитное поле в зазоре и ЭДС на якорных зажимах изменяются при резистивной нагрузке незначительно (5…10 %). б) Нагрузка индуктивная, 𝜓𝜓 = + 𝜋𝜋 2 При чисто индуктивной нагрузке ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда северный полюс ротора повернётся на 900 по направлению вращения. В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным по продольной оси навстречу магнитному потоку возбуждения и размагничивает машину (продольная размагничивающая реакция якоря). в) Нагрузка емкостная, 𝜓𝜓 = − 𝜋𝜋 2 При чисто емкостной нагрузке ток в фазе статора опережает ЭДС на 900 . Поэтому он достигает максимума в тот момент, когда северный полюс ротора не доходит на 900 до поперечной оси q . Магнитный поток якоря в этом случае оказывается направленным по продольной оси согласно с магнитным потоком возбуждения и намагничивает полюса (продольная размагничивающая реакция якоря). В общем случае, когда 0 < 𝜓𝜓 < 90о, ток Iа можно разложить на две составляющие: 𝐼𝐼𝑑𝑑 = 𝐼𝐼𝑎𝑎 sin 𝜓𝜓 и 𝐼𝐼𝑞𝑞 = 𝐼𝐼𝑎𝑎 cos 𝜓𝜓, первая из которых называется продольной составляющей тока якоря (продольным током) и создает продольную реакцию якоря, а вторая – поперечной составляющей тока (поперечным током) и создает поперечную реакцию якоря. Такой подход называется метод двух реакций и особенно актуален при рассмотрении процессов в СМ с ярко выраженными полюсами. Основное уравнение синхронного генератора. Построенные выше векторные диаграммы могут быть описаны аналитически следующим образом: Ф̇ = Ф̇о + Ф̇а ; 𝐸𝐸̇1 = 𝐸𝐸̇𝑜𝑜 + 𝐸𝐸̇𝑎𝑎 . Суммарная ЭДС 𝐸𝐸̇1 уравновешивается напряжением на нагрузке, а ЭДС 𝐸𝐸̇𝑎𝑎 представляет собой обычную ЭДС самоиндукции. Тогда, с учетом потоков рассеяния и падения напряжения на омическом сопротивлении обмоток якоря, уравнение электрического равновесия примет вид: 𝑈𝑈̇ = 𝐸𝐸̇𝑜𝑜 + 𝐸𝐸̇𝑎𝑎 + 𝐸𝐸̇𝜎𝜎 − 𝐼𝐼𝑎𝑎̇ 𝑟𝑟𝑎𝑎 = 𝐸𝐸̇𝑜𝑜 − 𝑗𝑗(𝑥𝑥𝑎𝑎 + 𝑥𝑥𝜎𝜎 )𝐼𝐼𝑎𝑎̇ − 𝐼𝐼𝑎𝑎̇ 𝑟𝑟𝑎𝑎 . Сумма индуктивного сопротивления якоря и сопротивления рассеяния называется главным син- хронным сопротивлением: 𝑥𝑥𝑐𝑐 = 𝑥𝑥𝑎𝑎 + 𝑥𝑥𝜎𝜎 . С учетом этого для машин с неявно выраженными полюсами: 𝑈𝑈̇ = 𝐸𝐸̇𝑜𝑜 − 𝑗𝑗𝑥𝑥𝑐𝑐 𝐼𝐼𝑎𝑎̇ − 𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐼𝐼𝑎𝑎̇ Для машин с явно выраженными полюсами приходится учитывать неодинаковость индуктивных сопротивлений якоря по осям. Индуктивные сопротивления под полюсами вследствие малых воздушных зазоров значительно больше, сопротивлений по поперечной оси. Индуктивное сопротивление рассеяния по осям d и q одинаково. Используя метод двух реакций, уравнение для генератора с явно выраженными полюсами: 𝑈𝑈̇ = 𝐸𝐸̇𝑜𝑜 − 𝑗𝑗𝑥𝑥𝑑𝑑 𝐼𝐼𝑑𝑑̇ − 𝑗𝑗𝑥𝑥𝑞𝑞 𝐼𝐼𝑞𝑞̇ − 𝑗𝑗𝑥𝑥𝜎𝜎 𝐼𝐼𝑎𝑎̇ − 𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐼𝐼𝑎𝑎̇ . Схема замещения синхронного генератора: Построим векторную диаграмму СГ при работе на активно-индуктивную нагрузку. Угол θ между основной ЭДС и напряжением на якоре называется углом нагрузки или углом рассогласования. В режиме генератора этот угол положительный (ЭДС опережает напряжение), в режиме двигателя – отрицательный. На предыдущих диаграммах видно, что это угол, на который результирующий магнитный поток отстает от потока возбуждения, т.е. от магнитной оси ротора. В режиме холостого хода угол рассогласования равен нулю. Чем больше нагрузка, тем угол больше. Активное сопротивление якорной обмотки для машин средней и большой мощности пренебрежимо мало по сравнению с главным синхронным сопротивлением, а потому им обычно пренебрегают. Основные характеристики СГ при автономной работе Для определения основных технических параметров применяют режимы холостого хода и короткого замыкания со снятием соответствующих характеристик. Для режима холостого хода это характеристика 𝐸𝐸𝑜𝑜 = 𝑓𝑓(𝐼𝐼в ), для режима короткого замыкания – характеристика короткого замыкания: 𝐼𝐼𝑎𝑎к = 𝑓𝑓(𝐼𝐼в ) при замкнутых накоротко всех фаз якорной обмотки (U = 0). Снятие характеристики к.з. проводят при пониженном ЭДС 𝐸𝐸𝑜𝑜 , поэтому магнитный поток мал, магнитная цепь не насыщена, и характеристика имеет прямолинейный вид. Уравнение СГ для режима к.з. при пренебрежении активным сопротивлением якоря: 0 = 𝐸𝐸̇𝑜𝑜 − 𝑗𝑗𝑥𝑥𝑐𝑐 𝐼𝐼𝑎𝑎̇ к . Цепь якоря является индуктивной (𝜓𝜓 = +90о ), и реакция якоря имеет чисто размагничивающий характер, что дополнительно уменьшает магнитный поток. Из режима к.з. определяется главное синхронное сопротивление генератора при номинальном магнитном поле и токе якоря: 𝑥𝑥𝑐𝑐 = 𝐸𝐸𝑜𝑜н 𝐼𝐼𝑎𝑎х , где 𝐸𝐸𝑜𝑜н – соответствует но- минальному напряжению на выходе генератора. Номинальное значения ЭДС и ток якоря получают при одном и том же токе возбуждения 𝐼𝐼вх за счет совмещения характеристик х.х. и к.з. Из этих же опытов определяется отношение короткого замыкания (𝑘𝑘окз ). Параметр имеет важное значение при оценке запаса устойчивости. Отношением короткого замыкания называется отношение установившегося тока короткого за- мыкания 𝐼𝐼кх при токе возбуждения, который при холостом ходе и 𝑛𝑛 = 𝑛𝑛н дает 𝐸𝐸𝑜𝑜 = 𝑈𝑈н к номинальному току якоря: 𝑘𝑘окз = ния, то 𝑘𝑘окз = 𝑈𝑈н 𝑥𝑥𝑐𝑐 𝐼𝐼н 𝐼𝐼кх 𝐼𝐼н . Если сюда подставить выражение для синхронного сопротивле- , т.е. ОКЗ обратно пропорционально значению 𝑥𝑥𝑐𝑐 . Величина ОКЗ, как и 𝑥𝑥𝑐𝑐 , определяет предельную нагрузку, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы, причем, чем больше ОКЗ, тем большая предельная нагрузка. В свою очередь, ОКЗ тем больше, чем меньше индуктивное сопротивление 𝑥𝑥𝑐𝑐 . Поэтому для повышения запаса устойчивости увеличивают воздушный зазор между ротором и статором, что повышает стоимость. Для справки: у гидрогенераторов 𝑘𝑘окз = 0,8 … 1,8 , а у турбогенераторов 𝑘𝑘окз =0,4…1,0. Внешняя характеристика определяет зависимость 𝑈𝑈 = 𝑓𝑓(𝐼𝐼𝑎𝑎 ) при постоянном токе возбуждения и скорости вращения. Вид характеристики во многом определяется реакцией якоря, а потому зависит от характера нагрузки. При индуктивном характере существует значительная продольная размагничивающая составляющая реакции якоря, и уменьшение напряжения может быть значительным. При емкостной нагрузке продолная составляющая подмагничивает полюса, увеличивая ЭДС. В результате напряжение в некотором диапазоне может даже увеличиваться. При резистивной нагрузке есть продольная размагничивающая составляющая, но она значительно слабее, чем при индуктивной нагрузке. Обычно синхронные генераторы рассчитываются для работы с номинальной нагрузкой при отстающем токе и cos 𝜑𝜑 = 0,8. ∆𝑈𝑈 – это изменение напряжения на выходе автономного генератора при изменении нагрузки от нулевой до номинальной. Чаще указывается в относительных единицах ∆𝑢𝑢% = ∆U ∙ 100% 𝑈𝑈н Типовое значение ∆𝑢𝑢% = (25…35)%. Чем больше главное синхронное сопротивление, тем больше ∆𝑢𝑢% . Т.е. синхронное сопротивление выступает как внутреннее сопротивление генератора.