Синхронные машины

1.

Синхронные
машины
Цикл лекций в курсе «Электрические
машины»

2.

Магнитное поле и электромагнитные параметры обмотки возбуждения
Магнитное поле обмотки
возбуждения синхронной машины
коэффициент формы поля возбуждения
Магнитное поле обмотки возбуждения
явнополюсной синхронной машины в воздушном
зазоре
Величина kf зависит от отношений δm/δ, δ/τ и от
коэффициента полюсной дуги

3.

МДС обмотки возбуждения на один полюс
Амплитуда основной гармоники поля возбуждения
Поток основной гармоники поля возбуждения
Поле рассеяния обмотки возбуждения
явнополюсной синхронной машины в
междуполюсном пространстве

4.

Магнитное поле возбуждения в воздушном зазоре неявнополюсной машины
Амплитуда основной гармоники этого поля (кривая 2)
Величина γ представляет собой отношение обмотанной
части окружности ротора ко всей окружности ротора
или отношение числа обмотанных пазов к полному
числу пазовых делений
Обычно γ= 0,65 ... 0,80, и при этом, соответственно, kf = 1,065 ... 0,965.
-коэффициент формы поля возбуждения неявнополюсной СМ

5.

Реакция якоря синхронного генератора
При подключении обмотки якоря к трехпроводной сети под действием ЭДС по её обмотке
протекает ток якоря Iя , создающий магнитный поток Фя .
Воздействие магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией
якоря и зависит от характера нагрузки, т. е. от угла сдвига фаз между ЭДС и током якоря.
Активная нагрузка
φ = 0°
Индуктивная нагрузка
φ = 90°
Ёмкостная нагрузка
φ = – 90°

6.

Упрощенные схема и векторная диаграмма синхронного генератора.
Уравнение ЭДС синхронного генератора
İ
Z
Н
Ù
Ėрас
Ėя
Ė0
А
Х
По второму закону Кирхгофа для замкнутой цепи фазы обмотки статора:
Ė 0 + Ėя + Ėрас = Ù + Rя İ, где
Ėя = – jХя İ
Ėрас =– jХраc İ;
Храc + Хя = Хсн - синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора
Упрощенное уравнение ЭДС СГ
Ù = Ė 0 – jХcн İ
Векторная диаграмма СГ
В
Ė0
φ
С
–jХcнI
Опустив перпендикуляр из точки В на
продолжение вектора напряжения
Ù
получаем два прямоугольных треугольника:
Δ АВС и Δ ОВС.
О
А
Ù
φ
İ

7.

Электромагнитная мощность, момент и угловая характеристика
синхронного генератора
Можно считать, что электромагнитная мощность СГ равна полезной мощности:
Рэм = Р1 = 3UIcos φ
Из прямоугольных Δ Δ АВС и ОВС векторной диаграммы СГ имеем:
ВС = АВ cos φ или ВС E0sinφ=
= jXcнIcos
Тогда:
Рэм = 3UE0sin /Xcн, где
Θ – угол между осевыми линиями полюсов ротора и статора
Ном = 20°… 35°
Электромагнитный (тормозной) момент СГ
М = Рэм/Ω
3UE0 sin θ
M
X сн
Угловая характеристика
Рэм
Мт
90°

8.

Магнитное поле и электромагнитные параметры обмотки якоря
При нагрузке обмотки якоря синхронной машины током она создает собственное магнитное поле,
которое называется полем реакции якоря.
Направление этого поля по отношению к полюсам индуктора, то есть характер реакции поля якоря
определяется углом сдвига между током якоря и ЭДС.
а) Реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

9.

. Поперечная реакция якоря вызывает искажение кривой поля в воздушном зазоре
Вращающееся поле поперечной реакции якоря индуктирует также ЭДС в обмотке
якоря.
б) ток I отстает от ЭДС Е на ψ= 90° - реакция якоря продольная размагничивающая
в) ток I опережает ЭДС Е на ψ= -90° - реакция якоря продольная намагничивающая
Характер поля реакции якоря сохраняется при любом положении вращающегося
ротора, так как ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно.
Ток I, совпадающий по фазе с э. д. с. Е, создает поперечную реакцию якоря, а ток I,
сдвинутый относительно Е на ψ = 90°, создает продольную реакцию якоря.
Поэтому в общем случае, когда ψ ≠ О и ψ ≠ 90° , ток I можно
разложить на две составляющие
первая из которых называется п р од о л ь н о й с о с т а в л я ю щ е й т о к а или п р о д о л ь н ы м
ток о м я к о р я и создает продольную реакuию якоря, а вторая называется
п о п е р е ч н о й с о с т а в л я ю щ е й т о к а или п о п е р е ч н ы м т о к о м я к о р я и создает
поnеречную реакцию якоря. Угол ψ считается положительным, когда I отстает от Е.
Такой подход был предложен в 1895 г. французским электротехником А. Блонделем и
получил название метода, или теории, двух реакций.
Такой подход, строго говоря, правомерен, если магнитная цепь машины ненасыщенная

10.

Вектор тока представляется двумя составляющими так чтобы одна
из них совпадала по направлению с вектором ЭДС, а другая была
ортогональна ему
Продольный и поперечный токи создают продольную и
поперечную МДС с амплитудами
Их можно рассматривать как составляющие полной МДС якоря по
осям
Если бы величина зазора была по всей окружности одинакова и равна его значению под серединой
полюсного наконечника, то эти МДС создали бы синусоидальные пространственные волны
магнитного поля с амплитудами

11.

Вследствие неравномерности воздушного зазора действительные кривые индукции создаваемой
синусоидальными волнами МДС Fad и Faq не будут синусоидальными.
неравномерность воздушного зазора приводит к уменьшению амплитуд основных гармоник полей
реакции якоря
-коэффициенты формы поля продольной и
поперечной реакции якоря
Для неявнополюсной синхронной машины вследствие равномерности зазора kad = kaq = 1.

12.

Основные гармоники полей продольной и поперечной реакции создают потоки реакции якоря
Эти потоки вращаются синхронно с ротором и индуцируют в обмотке якоря ЭДС самоиндукции,
которые называются ЭДС продольной и поперечной реакции якоря

13.

Индуктивные сопротивления реакции якоря
-собственные индуктивные сопротивления
самоиндукции обмотки якоря, обусловленные
полями продольной и поперечной реакции якоря
при симметричной нагрузке и называемые
индуктивными сопротивлениями продольной и
поперечной реакции якоря
Если сталь сердечников машины не насыщена
Для неявнополюсной синхронной машины ввиду равномерности зазора kad = kaq = 1

14.

ЭДС реакции якоря отстают по фазе на
от
индуктирующих их потоков и токов, создающих эти
потоки, поэтому в комплексной форме они
записываются в виде
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки
якоря
Помимо потоков, созданных первыми гармониками
индукции и проходящими через зазор, ток обмотки
статора СМ образует потоки рассеяния ( пазовое,
лобовое и дифференциальное рассеяние,
обусловленное высшими гармониками индукции
поля якоря). Потокам рассеяния соответствует ЭДС
и индуктивное сопротивление рассеяния
Фσа = Фσп + Фσл + Фσд

15.

ЭДС
, а также ЭДС
сложить арифметически:
совпадают по фазе поэтому их можно попарно
или
где
ЭДС Ed и Eq являются составляющими полной ЭДС самоиндукции якоря по осям d и q
Сопротивления
-продольное и поперечное синхронное индуктивное
сопротивление обмотки якоря (соответствуют нормальному установившемуся
синхронному режиму работы с симметричной нагрузкой фаз)

16.

Приведение МДС и тока якоря к обмотке возбуждения.
Основная гармоника поля, созданного продольной МДС якоря
Равновеликая основная гармоника поля, созданная эквивалентной МДС возбуждения
a
Величины kd и kq называются коэффициентами реакции якоря по продольной и
поперечной осям

17.

Приведенные токи якоря.
- коэффициент приведения продольного тока якоря
- коэффициент приведения поперечного тока якоря
- коэффициент формы поля возбуждения
неявнополюсной машины

18.

В ненасыщенной машине для каждой МДС можно определить соответствующий магнитный поток
- вектор результирующего магнитного потока в воздушном зазоре
- вектор результирующей ЭДС от основной гармоники
результирующего поля в зазоре
С обмотками якоря генератора при нагрузке также сцепляется пульсирующий магнитный поток
рассеяния, который индуцирует в них ЭДС рассеяния
Математическая модель в виде системы уравнений, определяющей электрические процессы в
фазе обмотки якоря
для неявнополюсной синхронной машины
у которой xd = xq
Магнитные процессы в магнитопроводе машины