Книги / элмех2000

дятся э.д.c. E2 частотой f2 f , так

как скольжение S 1. Указанная э.д.с. подается на выход АПЧ через контактные кольца и щетки.

Если требуется получить на выходе АПЧ напряжение частотой f2 f , то ротор вращается в на-

правлении поля статора с частотой n n0 (при этом S 1). Мощ-

ность на выходе АПЧ складывает-

Рисунок IV-6.2

ся из электромагнитной мощности

Pэм , передаваемой в обмотку ротору вращающим полем статора, и механической мощностью приводного двигателя т.е.

P2 Pэм Pпд .

непосредственно к электрической сети. Величина тока возбуждения в десятки раз меньше рабочего (переменного) тока, а жение не превышает 450 В, щеточный контакт работает более надежно, а потери энергии в нем невелики.

На роторе расположена обмотка возбуждения, при подключении которой к источнику постоянного тока (возбудителю) возникает магнитное поле возбуждения. Посредством первичного двигателя (ПД) ротор генератора приводят во вращение со скоростью n0 . При этом магнитное поле ротора также вращается и ин-

дуктирует в трехфазной обмотке статора э.д.с. EA , EB , EC , кото-

рые будучи одинаковыми по величине и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120 эл.град), образуют трехфазную симметричную систему.

1.2Возбуждение синхронных машин

Всинхронных машинах применяют два способа возбуждения: электромагнитное и возбуждение постоянными магнитами.

При электромагнитном возбуждении основной магнитный

поток создается посредством обмотки возбуждения. В синхронных генераторах с электромагнитным возбуждением распространение получила электромашинная система возбуждения синхронных машин, при которой источником постоянного тока для питания обмотки возбуждения синхронной машины является генератор постоянного тока, называемый возбудителем.

За последние годы все более широкое распространение получают системы самовозбуждения, в которых энергия, необходимая для возбуждения отбирается от рабочей (статорной) обмотки синхронной машины, преобразуется посредством ионных, полупроводниковых или механических выпрямителей и подается в цепь возбуждения синхронноймашины.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение синхронных машин, обычно составляет от 0,2 до 5% мощности синхронной машины при напряжении до 450 В.

1.3 Типы синхронных машин и их конструкция

Синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор синхронной машины устроен так же, как и статор асинхронной машины, т.е. состоит из корпуса, сердечника и обмотки.

Конструктивное исполнение статора в синхронных машинных может быть различным в зависимости от габаритов и назна-

чения машины. Статоры машин большой мощности для удобства сборки и транспортировки вместе с сердечником статора делают из отдельных сегментов, которые при монтаже машины образуют цилиндр статора.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально разные конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В силовых установках переменного тока в качестве первичных двигателей синхронных генераторов применяют паровые или гидравлические турбины и двигатели внутреннего сгорания (дизели). В первом случае синхронные генераторы называют гидрогенера-

торами и турбогенераторами, во втором случае – дизель - генераторами.

Все эти типы синхронных генераторов конструктивно отличаются друг от друга.

Так как гидравлическая турбина работает при сравнительно небольшой частоте вращения (60-500 об/мин), то

применяют ротор с большим числом полюсов. Поэтому роторы турбогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т.е. явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельного узла, состоящего из сердечника, полюсного наконечника и полюсной катушки. Все полюса закрепляют на ободе, который является также и ярмом, через которое замыкаются магнитные поля полюсов. Полюсы явнополюсного ротора обычно собирают (шихтуют) из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1-1,5 мм, которые сжимают с двух сторон толстыми нажимными щеками, предотвращающими распушение пакета полюса. В отдельных случаях применяют литые полюса. Ярмо явнополюсного ротора выполняют массивным (литым или сварным) или же шихтованным из листовой стали толщиной 1-6 мм. Листы стягивают шпильками. Для улучшения вентиляции со значительной осевой длиной ярмо и полюса разделяют на несколько пакетов, между которыми оставляют вентиляционные каналы (радиальные) для прохождения охлаждающего газа.

Гидрогенераторы обычно выполняют с вертикальным расположением вала.

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому турбогенераторы являются быстроходными синхронными машинами и их роторы, как правило, выполняются двухполюсными (n0 3000 об/мин).

Впроцессе работы турбогенератора на ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому явнополюсная конструкция ротора в турбогенераторах непригодна по условиям механической прочности. Обычно в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения.

Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают его сборным.

Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует два больших зуба (полюса). Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Турбогенераторы и дизель - генераторы выполняют с горизонтальным расположением вала. Дизель - генераторы рассчитывают на частоту вращения 600-1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором.

2.Реакция якоря и характеристики синхронного гене-

ратора

2.1Магнитное поле синхронной машины

Внеявнополюс-

ной синхронной машине воздушный зазор равномерен, а поэтому пространственное положение вектора н.с. статора относительно оси полюсов

ротора не влияет на

Рисунок V-2.1

величину и график

Такое взаимодействие н.с. Fя и Ff аналогично реакции яко-

ря в генераторе постоянного тока при расположении щеток на геометрической нейтрале: магнитное поле машины ослабляет-

ся под набегающим краем полюса, и усиливаются под сбе-

гающим краем полюса. Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется.

Индуктивная нагрузка.

При чисто индуктивной нагрузке ток статора отстает по фазе от э.д.с. на 900. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора на 900 относительно его положения, соответственно максимуму э.д.с. E0 . При этом н.с. Fa действует

по оси полюсов ротора встречно н.с. возбуждения Ff . Такое дей-

ствие н.с. статора (якоря) ослабляет поле машины. Следователь-

но, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индук-

тивной нагрузке оказывает продольное размагничивающее действие.

Емкостная нагрузка.

Так как ток при емкостной нагрузке опережает по фазе э.д.с., E0 на 900, то своего наибольшего значения он достигает

раньше, чем э.д.с., E0 . Намагничивающая сила статора (якоря) Fa так же как и в преды-

дущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно н.с. возбуждения.

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке хронного генератора ре-

акция якоря оказывает продольно – намагничивающее действие.

Смешанная нагрузка.

При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора Iq сдвинут по фазе относительно э.д.с. E0 на угол , зна-

чения, которого находятся в пределах 0 900 .

Fad Fa sin и поперечную составляющую н.с. статора (якоря)

Faq Fa cos . Такое же разложение н.с. якоря на составляющие

можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки. Поперечная составляющая н.с. статора (якоря) Faq представляющая собой

н.с. реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузки

Iaq Ia cos ,т.е. Faq Fa cos ,

а продольная составляющая н.с. статора (якоря) Fad , представ-

ляющая собой н.с. реакции якоря по продольной оси, пропор-

циональна реактивной с оставляющей тока нагрузки Iad Ia sin ,

т.е. Fad Fa sin .

При этом если активная составляющая тока нагрузки Iad

отстает по фазе от э.д.с. E0 (нагрузка активно-индуктивная), то н.с. Fad размагничивает генератор, если же реактивная состав-

ляющая тока Iad опережает по фазе э.д.с. (нагрузка активно-

емкостная), то н.с. Fad подмагничивает генератор.

Направление вектора Fad относительно вектора E0 опре-

деляется характером реакции якоря, который при токе нагрузки Ia

отстающем по фазе от э.д.с. E0 ,является размагничивающим, а

при токе Ia опережающим по фазе E0 , - подмагничивающим.

2.3Индуктивные сопротивления реакции якоря

ные сопротивления обмотки якоря, соответствующие полям продольной и поперечной реакции якоря при симметричной нагрузке и называемое индуктивными сопротивлениями продольной и поперечной реакции якоря.

Если сталь сердечников машины не насыщена с , то ku kuq 1. Значения xad и xaq при этих условиях будем назы-

200 Синхронные машины Ч. V

вать ненасыщенными и обозначать xad , xaq . В соответствии с выражениями

xad xad ; xaq xaq . kud kuq

Очевидно, что xad xad ; xaq xaq .

Для неявнополюсной синхронной машины ввиду равномерности зазора kad kaq 1 и xad xaq .

Из этих двух обозначений для неявнополюсной машины сохраним обозначение xad .

Чем сильнее реакция якоря, тем больше xad и xaq и тем

меньше запас статической устойчивости при работе.

При проектировании машины с заданной скоростью вращения, мощностью и способом охлаждения все величины, за исключением , могут измениться лишь в небольших пределах.

Поэтому величины xad и xaq обратно пропорциональны

величине воздушного зазора. Для ограничения влияния реакции якоря желательно, чтобы значения xad и xaq не превосходили

определенных пределов. Поэтому величина зазора в синхронных машинах приходиться брать больше, чем это допустимо по механическим и иным условиям.

Необходимо, однако, иметь в виду, что увеличение требует усиления обмотки возбуждения, что связано с увеличением расхода обмоточного провода, а в ряде случаев в связи с затруднениями в размещении обмотки возбуждения требуется также некоторое увеличение габаритов машины.

Поэтому уменьшение xad и xaq ведет к удорожанию маши-

ны.

2.4 Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря

Н.с. обмотки якоря, кроме основной гармоники, содержит также высшие гармоники. При равномерном зазоре поля высших гармоник индуктируют в обмотке якоря э.д.с. основной частоты, которые учитываются в виде индуктивного сопротивления дифференциального рассеяния. При неравномерном зазоре (в частности, в явнополюсной синхронной машине) поля высших гармоник, н.с. искажаются и поэтому индуктируют как э.д.с. основной,

Гл. 2 Реакция якоря и характеристики синхронного генератора 201

так и э.д.с. высших частот. Э.д.с, основной частоты при этом также увеличивается в виде сопротивления дифференциального рассеяния, а высшими гармониками э.д.с. по изложенным выше причинам пренебрегают.

Кроме дифференциального рассеяния, существует также пазовое и лобовое рассеяние якоря. Вследствие магнитной несимметрии ротора явнополюсной синхронной машины токи Id и

Iq , создают различные поля и э.д.с. дифференциального и лобо-

вого рассеяния. Однако эта разница невелика, и ею пренебрегают. Поэтому индуктивные сопротивления рассеяния якоря xa принимают для обеих осей одинаковыми. Можно также считать,

разложить на составляющую полную э.д.с. рассеяния якоря E a , причем

E ad E a sin x aIsin x aId ;

E aq E a sin x aIsin x aIq ;

Э. д.с. E ad и Ead , а также э.д.с. E aq и Eaq совпадают по фазе. Поэтому эти э.д.с. можно попарно сложить арифметически:

Ed Ead E ad xadId x aId

Э.д.с. Ed и Eq являются составляющими полной э.д.с. са-

моиндукции якоря по осям d и q. Сопротивления xd и xq назы-

вают соответственно продольным и поперечным синхронны-