Синхронные машины

Синхронные машины.

Общие сведения и устройство с. м.

Синхронная машина – машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразования энергии, и ротор имеют одинаковую частоту вращения n=60f/p.

Электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, которые приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами. С. Г. называются турбогенераторами или гидрогенераторами.

С. Д. имеют постоянную частоту вращения и используются там, где нет необходимости в регулировании скорости или где она должна быть постоянной.

С. Д. мощностью 50 – 100 кВт и более применяются на металлургических заводах, в шахтах для привода насосов, компрессоров, прокатных станов и т. д.

Синхронные микродвигатели используют в схемах автоматики, звукозаписи, для вращения ленты самопишущих приборов. Если синхронная машина предназначена для работы в режиме ненагруженного двигателя, то она называется синхронным компенсатором.

Статор – набирается из листовой стали, в пазах три обмотки сдвинутые на 120º. Обмотку статора соединяют с трехфазной сетью.

Ротор:

явнополосный – из листовой стали. Имеет большое число полюсов на которых расположена обмотка возбуждения, применяется в гидрогенераторах ( тихоходные машины ) до 1000 об / мин. В мощных гидрогенераторах вал расположен вертикально.

неявнополосный на роторе располагают обмотку возбуждения, питаемую от источника постоянного тока, два полюса, вал горизонтальный, скорость большая.

имеет свой магнитный поток, который определяет его полярность.

Для питания О. В. – возбудитель – генератор постоянного тока на одном валу с ротором С. М.

Существуют другие схемы возбуждения (через выпрямитель, подключенный к обмотке статора).

Синхронный генератор.

Принцип действия.

Обмотка возбуждения создает неподвижный относительно ротора основной магнитный поток Фо, распределенный в воздушном зазоре между статором и ротором по sin закону. При вращении ротора поток Фо вращается вместе с ним и пересекает обмотки статора. В обмотках статора индуцируется трехфазная Э. Д.С.

Еф= Ео= 4.44 f w Коб Фот

w - число витков фазной обмотки статора.

Коб – обмоточный коэффициент.

Фазные Ėа , Ėв и Ėс равны по значению и отстают друг от друга по фазе на угол 2p/3.

Характеристика х. х. – зависимость Ео от Ifв.

Ео= f ( Iв ) при Iстатора = 0; n = const.

Ео = 4.44 Коб w f Фот =Се Ф

т. к. Фот создается током возбуждения, а между Ео и Фот – линейная зависимость, то Ео = f ( Iв ) имеет такой же вид что и Фот= f ( Iв ) , т. е. вид кривой намагничивания.

Ео

0 Iв

Реакция якоря.

Воздействие магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией якоря и зависит от характера нагрузки ( от сдвига фаз между Э. Д. С. и током статора ).

Активная нагрузка ( угол между векторами Э. Д. С. и тока равен нулю y = 0 ).

С. в проводниках А по правил4у правой руки. Проводники – на осевой линии то в них индуцируется max значения осевой Э. Д. С. ( +Еот ; - Еот ) при активной нагрузке по проводникам фазы А в этот момент протекают максимальные токи ( +Im ; -I­m ).

Фя создается токами трех фаз и вращается с частотой n= 60f/p.

Результирующий магнитный поток Ф=Фо + Фя вращается с синхронной скоростью и неподвижен относительно ротора.

Магнитный поток поперечный Фяq ( ^ осевой линии Фо и току ).

.

Éя 0 Фо

.

Ф

Фяq

 

Éяq Í

Ео отстает на p/2 от Фо

I совпадает с Ео

Фяq совпадает с I

Ея - Э. Д.С. самоиндукции

Éо Хя – индуктивное сопротивление, обуслов

ленное магнитным потоком якоря.

. . .

Ф = Фо + Фяq Éя = - j Xе Í

É = Éо + Éя

При индуктивной нагрузке y = p/2.

В проводниках фазы А Э. Д. С. max, а так равен 0.

Осевая линия потока якоря совпадает с осевой линией основного потока, поток называется продольным Фяd.

Фяd направлен навстречу Фо и является размагничивающим. Индуктивная нагрузка уменьшает результирующий магнитный поток Ф и результирующую

Э. Д. С.

Ея

̗ ̗

I Фяd Ф Фо

̹̹̹ ̹ ̹

É Ф = Фо+ Фяd

É = Éо + Еяd

Ео

При емкостной нагрузке y = - p/2 ток создает магнитный поток якоря который противоположен по направлению магнитному потоку якоря при индуктивной нагрузке. Фяd - совпадает с Фо и называется продольно – намагничивающим.

ˏ ˏ

0 Фяd Í Фо Ф

Èя ˏ ˏ ˏ

Ф = Фо + Фяd

É = Éо + Éяd

Èо . .

В общем случае Фя = Фяq + Фяd

È

Уравнение электрического состояния обмотки статора с. г.

Векторная диаграмма.

В обмотке статора с. г. вращающиеся потоки индуцируют Э. Д. С.

Фо Õ Ео, Фя Õ Ея , Фрас Õ Ерас.

Éрас = - j Храс Í

Z н

Í ¯

 

Ú

É

Éя

Ео

А Х

Для замкнутой фазы обмотки статора по 2 закону Кирхгофа можно записать:

Éо = Éя + Éрас = Ú +RяÍ

Ú = Éо ­- R я Í - j ( Xя +Xрас ) Í = Éо – R яÍ –jXс Í

Xc = Xя + Xрас – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора

Полная векторная диаграмма.

Éо Õ ψ ÕÍÕ-jXоIÕ-RоÍÕU

- j Xc Í RяI ≃0

-Rя Í

Éо

 

U Í

θ ψ

φ

 

Упрощенная векторная диаграмма.

 

- jXc Í

Ú = Éо - jXcÍ

θ

U

φ

Ψ Í

Внешняя характеристика С. Г.

U = f( I ) при Iв = const, φ = const, f = const

UЕо

φ >0

φ =0 ΔU

Uпон

φ <0

 

Iпом I

cos φ = 0.85÷0.95

△U = 30÷50 %

φ = 0 - активная нагрузка нагрузка Фяd меньше ( размагничивание ).

φ > 0 – Фяd уменьшается и общий поток увеличивается.

φ < 0 – Фяd ( намагничивание ) …

Электромагнитный момент.

Угловая характеристика С. Г.

Т. к. потери мощности на нагрев обмоток очень малы, то можно считать что электромагнитная мощность равна активной мощности генератора:

Pэм = P = 3UTcosφ

Из векторной диаграммы

В С ( из △ АВС ) имеем ВС = АВ cosφ

φ или Ео sinθ = XcIcosφ, откуда

- jXcÍ Icosφ = Еоsin θ / Xс

получим Pэм = 3UEоsinQ/Xc

Éо Ú А

θ

φ

Í

0

Электромагнитный момент.

M = 9.55 Pэм / nн = 9UEo / Xcnн ) sinθ = CмU1Фоsinθ

Мm = ( 3U1 / nнХ1 ) Ео

Угловая характеристика синхронной машины.

+М М = f ( θ )

М > 0 - направляющая

электромагнитного

момента и ротора

θ совпадают – двигатель.

М < 0 – направления

- p p противоположны -

генератор.

- М θ = 20º - 35º

Синхронный двигатель.

Уравнение электрического состояния обмотки статора.

Трехфазная система токов

в обмотке статора С. Д.

создает вращающийся

магнитный поток. В

результате взаимодействия

М. П. статора и ротора

полюсы статора

притягивают к себе

полюсы ротора

противоположной

полярности, которые

вращаются с частотой

n = 60fc / p.

Фя Õ Éя ÕÍ

Для схемы замещения по 2 – му закону Кирхгофа:

Úс = Ėо +Úя Ея = - jXcI

Úс = Ė­о - jXcI по данному уравнению строим векторную диаграмму

Векторная диаграмма С. Д.

jXcÍ

 

Ėо

Úс

. . θ

Фя Фо

Í

θ

.

Ф

Úс → È ( отстает от Úс на θ ) → jXcÍ ( отстает Í от векотра падения напряжения на π/2 )

É = Éо – Éя - суммарное Э. Д. С. синхронного двигателя

. . .

Ф = Фо - Фя – суммарный магнитный поток

Угол θ – угол между осевыми линиями полюсов статора и ротора С. Д.

Магнитные полюса статора опережают при вращении полюсы ротора и

” тянут их за собой “.

1.  Характеристика холостого хода Ео = f ( Iв )

I = 0 определяется в опыте холостого хода. Зависимость нелинейная из - за

насыщения магнитной …

Ео

 

Iвн Iв

2.  Угловая характеристика М = f (θ)

Амплитуда угловой характеристики

зависит от Ео

М М = См U1 Ео sinθ

Мm = ( 3U1/nX1 ) Ео

Область устойчивости - π/2< θ < π/2

 

Iв

 

π/2 π θ

3.  U – образные характеристики – зависимость тока статора I от тока возбуждения Iв или Ео при М = const, U = const

 

I

 

cosφ = 1

М4>M3

/θ/=90˚ M3>M2

M2>M1

M1

U/X M=0

Д Г

 

φ >0 φ=0 φ<0 Ео

Работа машины в левой части, недовозбужденный режим; машина потребляет реактивную мощность из сети и является для нее индуктивной нагрузкой. В правой области перевозбужденный режим; генерирует реактивную мощность и для сети является емкостной нагрузкой. Значение /θ/ = 90˚- граница устойчивой работы машины.

Схемы пуска синхронного двигателя.

Для запуска С. Д. необходимо его ротор вращать с частотой вращения магнитного потока статора, что осуществляют с помощью вспомогательного двигателя или путем асинхронного пуска. Ротор снабжают дополнительной

… обмоткой. Пуск проводят в две стадии.

1. О статора подключают к сети. ОВ замкнута на редуктор R = 10 Rв. Под