Синхронная машина принцип действия

Конструкция синхронных машин

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН. ХОЛОСТОЙ ХОД СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Общие сведения

Синхронные машины широко применяются в качестве генераторов электрической энергии.

На всех электрических станциях в качестве источников переменного тока используются синхронные генераторы. Мощность их колеблется от нескольких киловатт для автономных установок до нескольких сотен тысяч киловатт для крупных электростанций. Находят также применение синхронные двигатели, которые используются в крупных компрессорах, двигатель-генераторных установках. Наряду с крупными двигателями широко выпускаются синхронные микродвигатели различных типов мощностью от долей до нескольких сотен ватт.

Синхронные двигатели, работающие без нагрузки на валу, используют в качестве источника реактивной мощности. Синхронная машина, работающая в таком режиме, носит название синхронного компенсатора. Синхронные компенсаторы находят практическое применение для улучшения cos φ сети.

Устройство и принцип действия синхронной машины

Синхронная машина имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка называется обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. В обмотке якоря индуцируется основная ЭДС машины. Наибольшее распространение в синхронных машинах имеют трехфазные обмотки якоря.

В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения — на роторе (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Электромагнитная схема синхронной машины: 1 –статор; 2 – полюсы ротора; 3 – трёхфазная обмотка якоря (статора); 4 – обмотка возбуждения; 5 – контактные кольца

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то полюсы создадут постоянное магнитное поле чередующейся полярности. При вращении полюсов, а следовательно и поля относительно проводников обмотки якоря в них будет индуцироваться переменная ЭДС, причем ЭДС отдельных проводников фазы суммируются. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуцироваться трехфазная система фазных ЭДС. Частота этой ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора пр:

f = p пр /60. (1.1)

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определённой зависимости между собой. Так, для получения стандартной частоты f =50 Гц при р=1нужно иметь частоту вращения пр = 3000 об/мин, а при р=24 пр = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора присоединить нагрузку, то возникший ток создаст вращающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля

пп= 60 f /р. (1.2)

Заменяя в (1.2) частоту ее значением из (1.1), получаем

пп = пр.

Характерной особенностью синхронной машины, обусловившей её название, является равенство частот вращения ротора и поля якоря.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка статора присоединяется к трехфазной сети, при этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения пп. Это поле, взаимодействуя с полем полюсовротора, создает вращающий момент. Чтобы при взаимодействии полей момент имел одно и то же направление, они должны быть неподвижными относительно друг друга. Это будет в том случае, если ротор, а следовательно, и его магнитное поле будут вращаться с частотой вращения пп.Поэтому в синхронном двигателе ротор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения поля.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности:

– ротор машины в двигательном и в генераторном режимах вращается с постоянной скоростью, равной скорости вращения магнитного поля;

– частота изменения ЭДС, индуктируемая в обмотке статора, пропорциональна скорости вращения ротора;

– в обмотке ротора ЭДС не индуктируется, а магнитное поле создаётся постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Конструкция синхронных машин

Статор синхронной машины выполнен аналогично статору асинхронной машины. Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра располагаются пазы для укладки обмотки якоря. При внешнем диаметре менее 1 м сердечник собирают из цельных кольцевых пластин, а при большем диаметре каждое кольцо составляют из отдельных пластин называемых сегментами.

Рис. 1.2. Статор синхронной машины: 1 – сердечник статора с пазами; 2 – обмотка статора; 3 – корпус

Сердечник размещают в станине (корпусе) статора. В пазы статора укладывают обмотки. Статор синхронной машины в собранном виде показан на рис. 1.2.

Повыполнению ротора синхронные машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные.

Рис. 1.3. Конструкции роторов неявнополюсной (а) и явнополюсной машин (б)

Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 3213;

Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью

Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью с большой мощностью, осуществляется путем изменения внешнего момента и тока возбуждения. Чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируют и ток возбуждения, и вращающий момент. Рассмотрим два предельных случая регулирования.

1. Возбуждение генератора остается постоянным, а момент изменяется.

Если нагрузка генератора увеличивается, то с увеличением нагрузки увеличивается момент и мощность. При всех постоянных величинах (U, E0, Xd, Xq) момент и мощность будут изменяться за счет изменения угла Q. Угол Q на векторных диаграммах – это угол между осью индуктора и результирующим потоком Фб. При холостом ходе генератора существует поток Ф0 – созданный обмоткой возбуждения. При нагрузке в обмотке якоря создается поток якоря Фа. Этот поток накладывается на поток Ф0 и создает результирующий поток Фб. Пространственный угол Q и момент можно представить на рис. 33.

Рис. 33.

Как видим из рис. 33 электромагнитный момент генератора является тормозным, т.е. он стремится притянуть разноименные полюса, а момент со стороны турбины Мт вращает ротор. Чем больше ток статора, тем больше и поток Фа и результирующий поток дальше сдвигается от оси индуктора, т.е. увеличивается угол Q. Поговорим о статической устойчивости синхронного генератора применительно к неявнополюсной машине. Синхронная машина (генератор) устойчиво с сетью работает в диапазоне угла Q = 0-900, а дальше машина выпадает из синхронизма, рис. 34. В т. А устойчивый режим работы.

Рис. 34.

Если отдаваемая мощность, а следовательно и электромагнитый момент возрастут (согласно рис. 33), то угол Q уменьшится и машина вернется в т. А. Если же отдаваемая мощность и момент уменьшатся, то согласно с рис. 33 угол Q возрастет т.к. Мт>М и машина вернется в исходную точку. Отсюда видно, что угол Q может меняться от 0 до 900 при устойчивой работе с сетью.


Если же угол Q будет больше 900, то магнитная связь между полюсами нарушается и машина выпадает из синхронизма. Это тяжелый и аварийный режим. При этом мощность в сеть не отдается, а момент турбины имеется, то под действием этого момента ротор может разогнаться до недопустимой скорости вращения. Кроме того, магнитный поток возбуждения будет наводить в обмотке статора ЭДС, Которая будет то складываться, то вычитаться с приложенным напряжением. Это приведет к большим колебаниям тока. Обычно если генератор выпал из синхронизма, то его отключают от сети. Для устойчивой работы генератора с сетью номинальный угол составляет Qн = 15-200. Как уже было сказано, что если угол Q < 900, то машина работает неустойчиво с сетью. Допустим, работаем в т. В. Если отдаваемая мощность будет меньше мощности турбины, то (рис 34) угол Q будет увеличиваться, а с увеличением угла Q отдаваемая мощность будет падать, т.е. при этом машина никогда не вернется в т. В., поэтому угловая характеристика от Q = 900-1800 неустойчива. Перегрузочная способность генератора:

Кп = Рэмmax = 1

Рэмн sinQн

Синхронизирующая мощность.

Чтобы генератор мог работать не выпадая из синхронизма с сетью, он должен обладать достаточной синхронизирующей мощностью, т.е. способность продолжать работать синхронно с сетью даже при значительных изменениях момента и, следовательно угла Q.

Большое значение для работы синхронных машин имеет вопрос устойчивости их работы. Работа синхронной машины будет устойчивой, если положительному приращению Q соответствует положительное приращение электромагнитной мощности Рэл, и наоборот уменьшению угла Q будет соответствовать уменьшение электромагнитной мощности Рэм. В этом случае Рэм/Q можно рассматривать и при бесконечно малых изменениях, а тем самым перейти к первой производной dРэм/dQ, тогда

Рс = dРэм/dQ = mUE0 cosQ/Xc, где Рс – удельная синхронизирующая мощность. Синхронизирующая мощность равна удельной синхронизирующей мощности, уменьшенной на все смещение Q.

Рсх = РсQ

Из выражений Рсх и Рэм следует, что когда угол Q=0, генератор развивает наибольшую синхронизирующую мощность, но его электромагнитная мощность Рэм = 0. Наоборот, когда угол Q = 900, генератор развивает наибольшую электромагнитную мощность, а его синхронизирующая мощность Рсх = 0, рис. 34.

2. Момент генератора остается постоянным, а ток возбуждения изменяется.

M = const, ib = var.

Для анализа воспользуемся векторной диаграммой ЭДС для неявнополюсной машины, рис. 35.

Рис 35.

Если момент М = const, то и Р = const, M = mE0UsinQ/wXc = const, если изменяется ток возбуждения то изменяется и ЭДС. Для постоянства момента необходимо, чтобы E0sinQ = const мощность P=mUIcosf. Постоянство мощности получится при Icosf = Iа = const. При анализе режима учтем эти условия. Развернем диаграмму рис. 36 так, чтобы вектор напряжения генератора Uг был направлен горизонтально и уравновешен напряжением сети Uс.

Рис. 36.

Из условий видим, что вектор ЭДС Е0 должен скользить по прямой QR параллельно вектору напряжения, т.к. ab = E0sinQ = const. При изменении возбуждения конец вектора тока статора (якоря) будет скользить по прямой MN, т.к. Ia = Icosf = const. При перевозбуждении ЭДС будет соответствовать величине Е0 и току I. Если разложить ток I, то его реактивная составляющая будет опережать вектор напряжения сети Uс на 900, т.е. этот ток будет емкостным. С энергетической стороны, этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. При уменьшении тока возбуждения ЭДС Е0 уменьшится до величины Е01 и ток в статоре будет иметь наименьшую величину I1 = Ia и cosf = 1. При этом генератор не отдает и не потребляет реактивной мощности.

При перевозбужденном режиме ток I отстает от вектора напряжения генератора Uг на угол f. Если и дальше уменьшать ток возбуждения ЭДС уменьшится до величины Е011, а ток I11 будет опережать напряжение генератора на угол f1. Реактивная составляющая тока статора по отношению к вектору напряжения сети Uс будет отставать на 900, т.е. он будет чисто индуктивным и генератор будет потреблять из сети реактивную мощность. Этот режим называется – режим недовозбуждения. Таким образом, регулируя ток возбуждения генератора можно менять величину и фазу тока статора, т.е. изменять cosf. Зависимости тока статора I от тока возбуждения ib называются U-образными характеристиками. На рис.

37 представлены графически U-образные характеристики при различных мощностях.

Рис. 37.

Характеристики до пунктирной линии соответствуют недовозбужденному режиму, а после этой линии соответствуют перевозбужденному режиму, при котором генератор отдает реактивную мощность в сеть.

Добавить комментарий

Закрыть меню