Синхронные машины

1. Синхронные машины. Сл. 0

Апухтин А.С.
Электрические машины. Синхронные машины: Конспект
лекций для студентов направления подготовки: 6.050701
“Электротехника и электротехнологии”. Донецк: ДонНТУ, 2011. –
250 с.
Конспект лекций по синхронным машинам является частью
готовящегося учебного пособия по электрическим машинам. В
разделе
рассматриваются
теория,
принцип
действия,
устройство и анализ работы синхронных машин как общего, так
и специального назначения, получивших распространение в
различных отраслях техники.

2. Синхронные машины. Сл. 01

Литература:
1.
Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. В 2-х ч. Ч.1.: Учебное
пособие для электротехн. спец.
вузов – 2-е изд. – М.: Высш. шк.
1987 – 319с.
2. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. В 2-х ч. Ч.2.: Учебное
пособие для электротехн. спец.
вузов – 2-е изд. – М.: Высш. шк.
1987 – 335с.
3. Копылов И.П. Электрические машины : Учеб. для вузов. – 2-е изд.,
перераб. – М.: Высшая шк.; Логос; 2000. – 607 с.
4. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Cинхронные
машины. Учебное пособие для вузов по спец. “Электромеханика”/ Под
ред. И.П. Копылова. - М.: Высш шк., 1990. -304 с.
5. Дудник М.З. Електричні машини: в 2-х ч. Навчальний посібник.–
Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002.–212 с.
6. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.
7. Читечян В.И. Электрические машины. Сборник задач. 1988 – 231 с.
8. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общ. Ред.
И.П.Копылова и Б.К.Клокова. Т.1. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 456 с.
9. Кацман М.М. Электрические машины. Учеб. для учащихся
электротехн. спец. техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Высш.
шк., 1990. – 463 с.

3. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.1

C3
C2
C1
+
S
Iв
N
N
+
- Uв
-
N
S
Iв
+
-
S
Uв

4. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.2

С1
С2
С3
О.В.
С2
С1
+
Uв
+
UВ
С3
-

5. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.3

Конструкция роторов синхронных машин:
а – ротор с явно выраженными полюсами; б – ротор с неявно
выраженными полюсами

6.

бандажні кільця
Внешний вид
неявнополюсного
ротора
N
3
1
Схема возбуждения
магнитного поля в
неявнополюсном
роторе
2
S

7.

N
S
S
IP
Устройство
явнополюсного
ротора синхронной
машины (СМ)
N
Чередование полюсов на роторе
синхронной машины (СМ)

8. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 6

Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин):
1 – корпус статора; 2 – сердечник статора; 3 – полюс ротора; 4 – обод
ротора; 5 грузонесущая крестовина

9. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 7

Турбогенератор:
1 – возбудитель; 2 – корпус; 3 – сердечник статора; 4 – секции
водородного охлаждения; 5 – ротор

10. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 8

Синхронный генератор (дизель-генератор):
1 – контактные кольца; 2 – щеткодержатели; полюсная
катушка ротора;

11. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 9

Устройство синхронного двигателя серии СДН2

12. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 10

Полюс синхронного двигателя

13. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 11

Принцип действия
а) генератор
М П .У . n
Zнг
U В 0
n
П.У.
+
UВ
- Mп.у.
Мп.у.
Uв Iв
n
Ф0
U
E0
Zнг
Фa

14. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.12

Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного
возбуждения синхронных генераторов

15. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.13

Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

16. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.14

Магнитная система явнополюсной синхронной машины

17. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.15

Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной
машины

18. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.16

Реакция якоря синхронного генератора
а)
Zнг=Rнг
Ф0
Е0
N
a
n
S
Rнг
I

19. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.17

Реакция якоря при активной нагрузке
Ф 0
a) Zн2=Rн2
ψ=0
Ф a
E 0
I
При ψ=0 реакция
якоря СМ является
чисто поперечной
по отношению к
полю возбуждения.

20. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.18

Реакция якоря при индуктивной нагрузке
Ф a
б) Zн2=ХL
ψ=90o
I
Ф 0
ψ
E 0
Как видно из рисунка
при
индуктивной
нагрузке,
т.е.
при
отстающем
токе
и
о
ψ=90 реакция якоря
действует
по
продольной
оси
и
является
по
отношению к полю
возбуждения
чисто
размагничивающей
(продольная
размагничивающая
реакция якоря).

21. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.19

Реакция якоря при емкостной нагрузке
.
0
в) Zн2=ХС
ψ= -90о
ψ
E 0
Ф a
I
При емкостной нагрузке,
т.е. при опережающем
токе и ψ=-90о реакция
якоря также действует по
продольной
оси,
но
является по отношения к
полю возбуждения чисто
намагничивающей,
т.е.
увеличивает
поток
по
продольной оси машины
(продольная
намагничивающая
реакция якоря).

22. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 20

Реакция якоря при активно-индуктивной нагрузке
Ф ad
Ф 0
ψ
Ф a
I
Ф aq
E 0

23. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 21

F р
Фа
F ЭМ
F Т
n
Фо
F
p 0
θ
n
Мт
Мп.у.
(торм.)
(вращ.)
F
Т М
Z нг I Фа М

24. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.22

б) ДВИГАТЕЛЬ
θ
S
N
F р
n1
F ЭМ
F Т
n=n1
Мнг
(торм.)
М
(вращ.)
М нг М I

25. Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 23

Расчет магнитной цепи электрических машин
Машина постоянная:
2
C A D l n P
,
k A B
2
/
где D – диаметр якоря машины постоянного тока или
внутренний диаметр статора машины переменного тока, м;
l – длина воздушного зазора, м;
n – частота вращения, об/мин;
P / – расчетная мощность, Вт;
k – коэффициент, учитывающий полюсное перекрытие ,
обмоточный коэффициент k об и коэффициент формы поля kв
k kоб kв ;
A 2 m W I ( D);

26. Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 24

F F F F
z
a1
Fa 2 Fm ,
где: F – магнитное напряжение воздушного зазора;
FZ – магнитное напряжение зубцов статора;
Fa1 – магнитное напряжение ярма статора;
Fa 2 – магнитное напряжение ярма ротора;
Fm – магнитное напряжение полюсов.
Магнитное напряжение воздушного зазора:
F
1
0
B
B k ,
Ф fm
l
,

27. Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 25

fm
– магнитный поток в воздушном зазоре;
k k 1 k 2 – коэффициент воздушного зазора, учитывающий
зубчатость статора и ротора;
tz1
k 1
,
tz1 1
t z 1 – зубцовое деление статора;
2
bП 1
;
1
b
5 П1
bП 1 – ширина открытого паза статора;
tz2
k 2
,
tz2 2

28. Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 26

2
2
bП 2
;
b
5 П2
tz2
bП 2
– зубцовое деление демпферной обмотки на роторе СМ;
– раскрытие паза демпферной обмотки.
Магнитное напряжение зубцов:
Fz 1 H срz l z 1 ,
l z 1 – высота зубца.
Магнитное напряжение в ярме статора
Fa 1 1 H a 1 la 1 ,
1
– коэффициент, учитывающий неравномерность
распределения индукции в ярме статора.

29. Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 27

Магнитное напряжение в ярме ротора
2
Fa 2 2 H a 2 la 2 ,
– коэффициент, учитывающий уменьшение длины средней
силовой (магнитной) линии в ярме ротора, 2 0 ,65 0 ,85.
F I
f
W f .

30. Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 28

31. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 29

1. Основное уравнение и основная векторная
диаграмма СГ
I r1 Er
U E E 0 E ad E aq E E r

32. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.30

E ad j Ιd X ad ;
E aq j Ιq X aq ;
Фad
0
900
E j Ι X ;
E r I r1.
Id
Ead
Ιd I sin ;
Ιq I cos .

33. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.31

0
0
0
90
Задаемся

34. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.32

2. Преобразованное уравнение и преобразованная векторная
диаграмма СГ
r1 0
U E 0 j I d X ad j I q X aq j I X
j (I d I q ) X
U E 0 j I d ( X ad X ) j I q ( X aq X )
Xd
U E 0 j I d X d j I q X q
Xq

35. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.33

A
jI d Xd
E0
jI q Xq
I
U
C
B
q
j
0

36. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 34

3. Упрощенное уравнение и упрощенная векторная
диаграмма для неявнополюсного синхронного
генератора
Xd Xq Xc
U E 0 j ( I d I q ) X c ;
I
UU E E 0j I X j I X c
0
c

37. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 35

I
j I Xc
E0
90 0
U
q
j
0

38. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 36

Режимы работы синхронной машины:
1) генератор, Pмех Pэл .
2) двигатель,
Pэл Pмех .
q - меняет знак
E U c jIXc
E0
900
q
0
j
q
E0
Uc
jIXc
I
U E

39. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 37

Векторные диаграммы явнополюсного ( а и б) и
неявнополюсного ( в и г) генераторов

40. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 38

1. Нагрузочные характеристики;
2. Внешние характеристики;
3. Регулировочные характеристики;
4. Характеристика КПД;
U г E 0 I zc .
iв

41. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 39

42. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 40

Е0
Фо
Е0
x.x.x
UH
Фост.
ів
Фост.
Еост.
iв
iнн
iво
График характеристики холостого хода СГ

43. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 41

Индукционная нагрузочная характеристика СГ
Uг
Кнас=
iB0
х.х.х.
iBнн
I=Iн
cosφ=0
Uн
О.К.З..=
iB0
iBк
iB
0
iBк
iB0

44. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 42

Внешние характеристики:
Uг f ( I ) ,
при
iв=const;
cosφ=const.
U г E 0 I zc ;
U I zнг ;
zнг rнг j xнг .

45. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 43

UГ
cos(-φ)=0
ΔU3
Uн
ΔU1
cos(φ)=1
iB3= iB0
ΔU2
cos(φ)=0
I
0
Iн
Внешние характеристики СГ
Iк

46. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 44

Внешние характеристики СГ
U
iB3
ΔU
cos(-φ)=0
iB2
Uн
cos(φ)=1
cos(φ)=0
iB1
I
0
Iн

47. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 45

Регулировочные характеристики:
iв f ( I ), при U г const ; cosj const .
iB
cos(φ)=0
U = Uн
cos(φ)=1
iB0
cos(-φ)=0
I
0
Iн

48. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 46

Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики синхронного
генератора

49. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 47

Характеристики короткого замыкания:
I f ( iв ), при U г 0 ; cosj const.
Опыт короткого замыкания синхронного генератора

50. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 48

Характеристики короткого замыкания
х.
к.
з.
I
Iн
Uг=0
ів
0
івк

51. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 49

Определение составляющих тока КЗ

52. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 50

Потери и КПД синхронного генератора
Сумма потерь:
P Pэл Рст Р мх Рдоб ,
где:
Pэл– потери в обмотках;
Pст– потери в стали;
Pмх– потери механические;
Pдоб– потери добавочные.
p
P2 P1 p
1
.
P1
P1
P2 p

53. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 51

График зависимости КПД от нагрузки
η
ηн
Р2
0
Ропт
Рн

54. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 52

Рабочие характеристики:
1. P1 f ( P2 );
2. I 1 f ( P2 );
3. cosj f ( P2 );
I1
Р1
η
M
θ
cosφ
I1
Р1
η
cosφ
4. M f ( P2 );
5. f ( P2 );
6. f ( P2 ).
θ
I0
Р0
0
Р2
Р2Н
1,0

55. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 53

1. Магнитное поле машины при холостом ходе
и при нагрузке.
2. Продольное и поперечное поле якоря.
Теория двух реакций.
3. Коэффициент формы и коэффициент
приведения МДС якоря к МДС возбуждения.

56. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 54

57. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 55

q E0
I
d
Fв

58. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 56

q E0
Iq
I
F aq
d
Fв
F ad I d
I q I cos ;
I d I sin ;
Faq Fa cos ;
Fad Fa sin .

59. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 57

Картина распределения МДС для явнополюсного ротора (а) и для
неявнополюсного ротора (б)

60. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл.58

Магнитные поля возбуждения неявнополюсной (а) и
явнополюсной (б) синхронных машин
Действительное распределение МДС в неявнополюсной
машине из-за зубчатости ступенчатое. Считают, что ротор
гладкий и МДС и индукция распределяются по закону
прямолинейной трапеции.

61. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 59

Картина распределения МДС статора Fa – синусоида. Если
ротор неявнополюсный (круглый), то магнитное сопротивление
во всех точках воздушного зазора будет одинаковым и магнитный
Фa
поток
тоже распределяется
по синусоидальному закону.

62. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 60

А
если
СМ
явнополюсная?
В
межполюсном
пространстве магнитное сопротивление большое. Берем
МДС
Fa
получаем
положении
, делим на большое магнитное сопротивление и
маленький
ротора
магнитный
каждый
раз
поток.
будет
При
разном
новая
кривая
результирующего потока.
Французский
инженер
Блондель
предложил
рассматривать только два положения:
1. Когда ось полюса ротора и максимум синусоиды МДС
статора совпадают.
2. Когда амплитуда МДС статора совпадает
межполюсного пространства.
с осью

63. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 61

64. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 62

Магнитные поля статора синхронной явнополюсной машины по
продольной (а) и поперечной (б) осям

65. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 63

В явнополюсной машине МДС синусоидальна, а магнитный
поток далеко несинусоидальный! Этот поток придется разлагать
в ряд Фурье и определять – какая часть МДС идет на создание
1-й гармоники потока.
Таким
магнитного
образом,
потока
имеются
5
форм
(прямоугольники,
распределения
трапеции,
синусоида,
«бугры» и «гаечный ключ». Как их сравнивать? Пришел на
помощь Фурье. Надо разложить каждую кривую в ряд Фурье и
выделить 1-ю гармонику и сравнивать только первые гармоники.
Уже есть формулы разложения и нам остается только
воспользоваться готовыми результатами.

66. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 64

Неявнополюсная машина
Ba Ba 1 sin x Ba 3 sin 3 x Ba 5 sin 5 x ,
где:
где:
Ba 1 ka 1 Ba ;
ka 1 1;
Ba 3 ka 3 Ba ;
ka 3 0 ;
Ba 3 ka 3 Ba ;
k a 5 0.
Ba - амплитуда исходной кривой;
ka - коэффициент разложения.
Эти
коэффициенты
в
математике
называются
коэффициентами Фурье, в ТОЭ – коэффициентами разложения
кривой на составляющие, в ЭМ – коэффициентами формы кривой
разложения.
Теперь займемся кривой МДС возбуждения.
Bв B f 1 sin x B f 3 sin 3 x B f 5 sin 5 x ,
где:
B f 1 k f 1 Bв ;

67. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. Сл. 65

Явн.
1.
kf1
Неявн. 2.
kf1
4 sin
2 ;
8 sin
2 .
2

68. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 66

Bad Bad1 sin x Bad 3 sin 3 x ,
где: Bad1 k ad1 Bad ;
sin
;
sin
;
kad1
kaq1
Итак, мы познакомились с пятью коэффициентами разложения
(коэффициентами формы):
1, k f 1, k f 1, kad , kaq .
Итак, есть
Ba1 , B f 1 , Bad1 , Baq1
Все синусоиды и их можно сравнивать и теперь можно
приступить к приведению. Традиционно считают, что надо
привести к МДС возбуждения! Известна Ba1 , ее приравниваем к
какой-то эквивалентной кривой возбуждения.

69. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 67

Fвэ ?
B f1 э ?
Bf 1э Ba1 ;
k f 1 Bвэ ka1 Ba ;
k a1
BBэ
Ba k п Ba ;
kf1
BBэ k п Ba ;
FBэ k п Fa ;
kп
k a1
.
kf1
k П - коэффициент приведения.

70. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке. сл. 68

BBэ и Ba
- это уже не синусоиды, а реальные кривые
(прямоугольники, трапеции…) и коэффициенты приведения
превратили, например «бугры» в прямоугольники.
Неявн .
2
k
;
п k
f 1 8 sin
2
Явн.
sin
k
;
d k
f1
4 sin
2
kaq 1 sin
kq
.
k f 1 4 sin
2
ka 1
kad 1

71. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 69

Параметры СМ
1. Определение x d ненасыщенного и насыщенного;
2. Треугольник Потье, сопротивление x и его определение;
3. Сопротивления x0 , x1, x 2 ;
4. Сопротивления
xd/ , x d// ;
5. ОКЗ, его значение и определение.
Характеристика трехфазного короткого замыкания СГ:
I к f ( I В ) при n const ; U 0.
Так как активное сопротивление обмотки якоря относительно
очень мало, то замкнутая накоротко синхронная машина
представляет
собой
практически
чисто
индуктивное
сопротивление. Поэтому ток КЗ I к отстает от ЭДС E 0на угол
к / 2.

72. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 70

Следовательно, этот ток I к
создает только продольную
размагничивающую реакцию
якоря Fad , которой соответствует
продольный размагничивающий
поток реакции якоря Фad , и
создаваемая им ЭДС
E ad j I к xad .

73. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 71

Кроме того, существует еще поток рассеяния
создаваемая им ЭДС рассеяния
Ф ,
и
E j I к x .
Следовательно, диаграмма ЭДС для случая короткого
замыкания
синхронного
генератора
приобретает
вид,
показанный на рисунке. Поток Фad носит фиктивный характер,
так как в одном сердечнике не могут существовать два встречно
направленных потока Ф0 и Фad . Поток Ф , составляющий
примерно 10 – 15 % от Ф0 , считается реально существующим.
Поэтому магнитная цепь синхронного генератора в режиме
КЗ практически не насыщена, и характеристика КЗ имеет вид
прямой, проходящей через начало координат.

74. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 72

Определение ненасыщенного значения x d
Из последней векторной диаграммы следует, что:
E0 I к xad I к x I к xd ,
откуда
E0
xd xad x
.
Iк
Так как при КЗ синхронная машина не насыщена, то для
определения
следует пользоваться либо начальной
E0
(ненасыщенной) частью ХХХ, представленной участком ОD, либо
– при больших токах КЗ – спрямленной частью ХХХ –
прерывистой линией ОВ. Для тока возбуждения I B 0 OK ЭДС
E0/ KB (а не KG ).
Тогда:
E0/
KB
xd
.
Iк
KH

75. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 73

К определению
xdнн и kОКЗ

76. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 74

Отношение короткого замыкания
Последняя векторная диаграмма построена в относительных
единицах, поэтому
I B 0* OK 1;
E0/ KB ( по ХХХ );
I K 1 KH ( по ХКЗ ).
Следовательно:
E0/ I H
E0/
1
1
xd*
C0
,
IK1 UH UH IK1
kОКЗ
IH
/
E
где
C 0 0 - постоянная (при I B 0* 1 );
UH
IK1
- отношение короткого замыкания (ОКЗ).
kОКЗ
IH

77. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 75

Обычно отношение короткого замыкания выражают через
отношение токов возбуждения (а не токов якоря). Действительно
I BK OM для I K I H ML .
Из подобия треугольников OKH и OML:
kОКЗ
I K 1 I B0
.
IH
I BK

78. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 76

Определение насыщенного значения x d
При нагрузке сталь машины насыщена и, следовательно, ее
магнитная проницаемость меньше, чем при коротком замыкании.
Поэтому насыщенное значение сопротивления x d при нагрузке
меньше, чем ненасыщенное его значение, полученное из опыта
короткого замыкания. При этом
xdненас const , а
xdнас var,
т.е. переменная величина, зависящая от степени насыщения
стали.
Для определения xdнас
снимают характеристику ХХ 1 и
нагрузочную индуктивную 2.
На нагрузочной характеристике взята точка С, для которой
напряжение U U H и ток возбуждения I B OA. E 0 - ЭДС,
соответствующая этому току, находится по характеристике ХХ и
определяется отрезком АВ. Тогда:
E 0 U H j I H xd ; AB AC I H xd ;

79. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 77

К определению
xdнас

80. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 78

откуда:
xd
AB AC BC
.
IH
IH
Определение индуктивного сопротивления рассеяния
x
Если известно x , можно построить характеристический
треугольник. По характеристике КЗ (2) находят ток возбуждения
I BK OA, которому соответствует ток короткого замыкания,
равный номинальному I K I H . Ток возбуждения I BK состоит
из двух составляющих:
I ва - ток возбуждения, необходимый для компенсации
размагничивающего действия реакции якоря;
I в - ток возбуждения, соответствующий ЭДС рассеяния E ,
наводимой потоком рассеяния Ф в обмотке якоря.
I BK I ва I в .

81. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 79

К определению x

82. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 80

ЭДС рассеяния заменяем через
E I H x .
На рисунке эта ЭДС и составляющие тока возбуждения
выражаются через соответствующие отрезки:
I BK
E FD; I в OD; I ва AD.
Если x неизвестно, то для его определения на нагрузочной
характеристике (3) берут точку А1 , соответствующую
U UH ,
и проводят горизонталь. Затем влево от точки А1 откладывают
отрезок A1O1 AO . Через точку О1 проводят прямую, параллельную
начальной части ХХХ, до пересечения с ХХХ в точке F1 . Опускают
перпендикуляр на A1O1 и отмечают точку D1 . Можно утверждать,
что
F1 D1 FD I H x ,
тогда:
F1 D1
x
.
IH

83. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 81

Практическая диаграмма ЭДС часто используется на
электромашиностроительных заводах. Ее основное отличие от
ранее приведенных диаграмм состоит в том, что в ней берутся не
фиктивные индуктивные сопротивления, эквивалентные действию
якоря, а непосредственно намагничивающая магнитодвижущая
сила якоря Fa , что делает возможным учет изменяющегося
Fa
насыщения стали. Но при этом МДС не разлагают
на продольную
и поперечную составляющие и, следовательно, не учитывают
разницы между неявно и явнополюсным типом генераторов.
Для построения практической диаграммы необходимо
снять (или рассчитать): XXX 1, XКЗ 2 (трехфазного) и, кроме того,
определить активное сопротивление якоря
и индуктивное
сопротивление
рассеяния
(по
характеристическому
r1
треугольнику). В машинах большой
x мощности сопротивлением
пренебрегают.
r1

84. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 82

Изменение
напряжения U определяется
в
предположении,
что
генератор
работает
при
номинальном напряжении U н , номинальном токе I н ,
номинальном
коэффициенте
мощности cos jн и
номинальной частоте f н и что после сброса нагрузки
ток возбуждения I в .н
и частота вращения n не
изменяются.
Построение диаграммы начинается с того, что
вектор напряжения U Н совмещается с положительным
U Н OA . Под углом
направлением оси ординат
j н к вектору U Н располагается вектор тока I Н . От
конца вектора напряжения U Н
(от точки А)
откладывается вектор j I Н x AB . Геометрическая
сумма векторов U Н и
j I Н x представляет собой
вектор ЭДС E OB . Угол между вектором ЭДС E и
вектором напряжения U Н – угол . Из центра О
радиусом ОВ проводится дуга до пересечения с осью
ординат в точке «в». Затем точка «в» сносится по
горизонтали в точку С на ХХХ. Из точки С опускаем
перпендикуляр на ось абсцисс и получаем точку D.

85. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 83

Практическая диаграмма
ЭДС
Ік
U
0
P
1
в
В
С
jIнхв
А
Eδ
R
U
Ін
2
н
φ
н
F
UH
E0
φ'=φн+
ІH
M
K
Eδ
0
Івδ
Івa
Ів
Ів
н
a
G
І’вo
Івн
D
Ів
N

86. Практическая диаграмма ЭДС

87. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 85

Отрезок ОD определяет собой ток возбуждения I BO ,
необходимый для создания ЭДС E .
Учет реакции якоря производится следующим образом. На
характеристике короткого замыкания откладывается значение
номинального тока, для чего вектор тока поворачивается
вокруг центра О до совмещения с осью ординат, а затем конец
повернутого вектора тока I Н сносится на ХКЗ в точку F. Из
точки F опускаем перпендикуляр на ось абсцисс в точку G.
Таким образом I K I H FG . Ток возбуждения I BK OG состоит
из двух составляющих:
1) Ток возбуждения I в , необходимый для создания ЭДС
E I Н x , находится по ХХХ, если на ней отложим
KL AB I Н x E , тогда ток возбуждения I в OL.
2) Вторая составляющая – отрезок LG определяет собой ток
I вa , соответствующий реакции якоря.

88. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 86

Чтобы получить полный ток возбуждения, нужно
геометрически сложить отрезки OD I вo и DM LG I вa, при
этом отрезок DM I вa проводится под углом j jкнотрезку
E
IН
CD, так чтобы угол между ЭДС
и током
остался
без
изменения (отрезок CD равен по величине
,Eно
повернут на
угол ). Радиусом
OM проводится дуга до пересечения с осью
абсцисс в точке N, тогда
. При
ON OM
I ВHсбросе нагрузки
этот ток возбуждения создает ЭДС
E.0 NP
При построение диаграммы ЭМДС преследуются две цели:
1. Определение тока возбуждения, который при заданном токе
нагрузки и заданном cos j обеспечит заданное напряжение.
2. Определение U при сбросе нагрузки.
Основные этапы построения диаграммы Потье:
1) Определение E и угла ;
2) Определение E и угла j jн ;
3) Определение I вк , I в , I вa ;
4) Определение I вн ;
5) Определение U .

89. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 87

Определение ΔU для неявнополюсного генератора
P
1
Ер
1,2
в
В
А
1,09
0,245
С
0,128
R
1,0
0,8
γ
φн
І
0,6
1,0
0,4
2
F
0,8
φн+γ
0,6
M
0,4
K
2,10
1,06
6
0,128
0
0,10
0,5
1,06
1,22
1,0 G
D
1,5
Ів
2,0 N
Ів
2,5

90. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 88

Практическая диаграмма ЭДС

91. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 89

Определение
U

92. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 90

Векторные диаграммы ЭДС.
Достоинства:
1) Простота построения;
2) Учет конструкции машины.
Недостатки:
1) Не учитывается реальное магнитное состояние машины;
2) Значительные погрешности при их использовании для
построения характеристик.
Практические диаграммы ЭМДС.
Достоинства:
1) Учет реального магнитного состояния машины;
2) Возможность использования для построения характеристик.
Недостатки:
1) Сложность построения;
2) Не учитывается конструкция машины.

93. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 91

Для генератора: тормозной.
Для двигателя: вращающий.

94. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 92

К понятию об электромагнитном моменте синхронного
генератора

95. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 93

Преобразованная векторная диаграмма СГ
A
jI d Xd
E0
jI q Xq
I
U
C
B
q
j
0

96. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 94

При
r1 0 :
P1 Pэм m1 U I cos j ;
M
Pэм
.
Из преобразованной векторной диаграммы генератора:
AB I d xd I sin xd ;
E0 U cos q
.
I sin
AB AO BO E0 U cos q;
xd
BC I q xq I cos xq ;
U sin q
.
I cos
xq
BC U sin q;

97. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 95

P1 m1 U I cos q
m1 U I cos cos q m1 U I sin sin q
E0 U cos q
U sin q
m1 U
cos q m1 U
sin q
xq
xd
m1 U E0
m1 U 2
sin q
xd
2
1
1
sin( 2 q ).
x
x
q
d
m1 U E0
m1 U 2
M
sin q
xd
2
M осн .
1
1
sin( 2 q ).
x
x
q
d
M реакт .
xq 0 ,6 xd .

98. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 96

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Параллельная работа cинхронных генераторов.
1) Необходимость и целесообразность
параллельной работы;
2) Условия включения генераторов на сеть;
3) Способы синхронизации. Точная
синхронизация;
4) Способ самосинхронизации (грубая
синхронизация);
5) Операции при работе генератора на сеть.
сл. 96

99. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 97

На каждой электростанции установлено несколько
СГ, включенных на параллельную работу. В
энергосистемах станции работают параллельно. Этим
достигается большая надежность электроснабжения
потребителей, снижение мощности аварийного и
ремонтного резерва, возможность маневрирования
энергоресурсами сезонного характера и другие
выгоды.
Все СГ должны отдавать ток одинаковой частоты.
Поэтому они должны вращаться строго в такт, т.е.
синхронно, скорости вращения n1 , n2 , n3
должны
быть обратно пропорциональны числам пар полюсов:
f
f
f
n1
,
n3
.
n2
,
p1
p3
p2
В
частности,
скорости
вращения
СГ
одинаковыми числами полюсов должны быть
точности одинаковыми.
с
в

100. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 98

При включении генераторов на параллельную
работу с другими генераторами необходимо избегать
чрезмерно большого толчка тока и возникновения
ударных электромагнитных моментов и сил,
способных вызвать повреждение генератора и
другого оборудования, а также нарушить работу
электрической сети или энергосистемы.
Если генератор включается в сеть мощной
энергосистемы, то сопротивление этой сети по
сравнению с сопротивлением самого генератора
можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток
при включении может превышать ток при обычном
коротком
замыкании
в
два
раза.
Ударные
электромагнитные моменты и силы при этом
возрастают в четыре раза.

101. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл.99

Зарегистрировано
немало
случаев,
когда
неправильное включение вызывало серьезные
повреждения оборудования (повреждение обмоток,
поломка крепежных деталей сердечников и полюсов,
поломка вала, разрушение всего генератора).
Поэтому
необходимо
отрегулировать
надлежащим образом режим работы на холостом
ходу перед включением на параллельную работу и в
надлежащий момент времени включить генератор в
сеть. Совокупность этих операций называется
синхронизацией генератора.

102. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 100

Включение синхронных генераторов на параллельную
работу: Г1 – Г4 – синхронные генераторы; ПД1 – ПД 4
– приводные двигатели

103. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 101

Условия включения генератора на сеть:
E г Ес ;
U г U c ;
2. f г f c ;
1.
3. ABCг ABCc ;
U c E c I z cc ;
U г E г I z cг U c ;
Eг Eс
I
z с г z cc

104. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 102

Схема подключения генератора к сети
Ег
Ес
Zнг

105. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 103

Звезда фазных ЭДС генератора и сети
Aс
Aг
Сс
Bг
Сг
Bс

106. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 104

Ламповый синхроноскоп

107. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл.105

Два способа точной синхронизации СГ
A
B
C
A
B
C
СГ
I способ
СГ
II способ

108. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл.106

Нагрузка генератора,
включенного на параллельную работу
Будем считать, что синхронный генератор подключают на
параллельную работу с другими генераторами, суммарная
мощность которых настолько велика по сравнению с мощностью
подключаемого генератора, что при любых изменениях
параметров этого генератора напряжение сети U c и ее частота
f c остаются неизменными.
После подключения генератора в сеть при соблюдении всех
условий синхронизации его ЕДС E 0 равна по значению и
противоположна по фазе напряжению сети (рис. а), поэтому ток в
цепи генератора равен нулю, т.е. генератор работает без
нагрузки. Механическая мощность приводного двигателя P1 в
этом случае полностью затрачивается на покрытие потерь ХХ:

109. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 107

P0 Pмех Рст 1 Р В Рп
Векторные диаграммы СГ, включенного на параллельную работу:
а – при работе без нагрузки; б – при работе с нагрузкой
Отсутствие тока в обмотке статора синхронного генератора
( I 1 0 ) приводит к тому, что обмотка статора не создает
вращающегося магнитного поля и в генераторе действует лишь
магнитное поле возбуждения, вращающееся вместе с ротором с
угловой частотой , но
1не создающее электромагнитного момента.

110. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 108

Если же увеличить вращающий момент приводного
двигателя M 1 , то ротор машины, получив некоторое ускорение,
сместится относительно своего первоначального положения на
угол в направлении вращения. На такой же угол
окажется
сдвинутым вектор ЭДС генератора E 0 относительно своего
положения, соответствующему режиму ХХ генератора (рис б). В
результате в цепи статора появится результирующая ЭДС
E E 0 U c , которая создаст в цепи обмотки статора ток I 1 .
Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора и
считать, сопротивление этой обмотки чисто индуктивным, то ток
0
I 1 отстает по фазе от Eна угол
(рис
б) и отстает по фазе
90
от ЭДС
наEугол
1 .
0
Ток I 1 создает магнитное поле, вращающееся синхронно с
ротором и создающее вместе с полем ротора результирующее
магнитное поле синхронной машины. Ось этого результирующего
поля d / d / не совпадает с продольной осью полюсов ротора
d d ; в синхронном генераторе ось полюсов ротора
d d
/
/
опережает ось результирующего поля машины d d на угол
(рис. а).

111. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 109

К понятию об электромагнитном моменте синхронного генератора

112. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 110

Известно, что разноименные магнитные полюсы взаимно
притягиваются, поэтому между намагниченными полюсами
ротора и неявно выраженными полюсами вращающегося поля
статора возникают силы магнитного притяжения FM (рис. б).
Вектор этой силы на каждом полюсе ротора, направленный под
углом к оси полюса, имеет две составляющие: Fn FM cos
- нормальная составляющая, направленная по оси полюсов, и
Ft FM sin - тангенциальная составляющая, направленная
перпендикулярно
оси
полюсов
ротора.
Совокупность
тангенциальных составляющих на
Ftвсех полюсах ротора создает
на роторе синхронного генератора электромагнитный момент,
направленный встречно вращающемуся магнитному полю:
где
M F 2 p ( D / 2 ),
2
– диаметр ротора. t
D
Таким
образом, электромагнитный момент
2
машины является синусоидальной функцией угла
быть представлена выражением:
синхронной
и может

113. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 111

M M max sin ,
где M max - максимальное значение электромагнитного момента,
соответствующее значению угла 90 эл.град .
Электромагнитный момент M , возникающий на роторе
генератора
направлен
встречно
вращающему
моменту
приводного двигателя , т.е.
M он является тормозящим моментом.
1

114. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 112

Синхронный генератор может работать
параллельно с сетью в 2х режимах:
1 ) I в const , M дв var;
2 ) M дв const , I в var .
1) Угловая характеристика:
Pэм f ( );
Для неявнополюсного (круглого) ротора:
m U E0
Pэм
sin q
xd

115. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 113

График изменения электромагнитной мощности от угла
нагрузки
для неявнополюсной машины представляет собой
синусоиду:
Pэм
ном 20 25 0
Pм max
Pн
θ
0
θном
π/2
KM
π
Pэм _ max
Pэм _ ном
1
sin q ном

116. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 114

Угловая характеристика синхронного генератора с явно
выраженными полюсами

117. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 115

Синхронизирующая мощность
Чтобы генератор мог работать, не выпадая из
синхронизма с сетью, он должен обладать
достаточной синхронизирующей мощностью, т.е.
способностью продолжать работать синхронно с
сетью даже при значительных изменениях момента
Мэм и, следовательно, угла θ.
Удельной синхронизирующей мощностью Рсх
называется изменение мощности Рэм, рассчитанное
на единицу угла θ.
dPэм
U E0
Pсх
m
cos q .
dq
xd

118. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл.116

Синхронизирующая способность синхронной машины

119. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 117

Графики удельной синхронизирующей мощности для
явнополюсной машины

120. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 118

Под динамической устойчивостью синхронного
генератора понимают способность генератора
выдерживать внезапные изменения нагрузки без
выпадения из синхронизма. Предельный случай
изменения нагрузки – короткое замыкание в сети.
При этом напряжение U сильно понижается, что
ведет к снижению устойчивости параллельно
работающих генераторов. Чтобы избежать этого –
производится форсировка возбуждения.

121. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 119

1. P=f(θ);
2. Q=f(θ);
3. S=f(θ);
Угловые характеристики
4.
I=f(θ);
5.
cosφ=f(θ);
6.
Pуд.с=f(θ).
Диаграмма МДС

122. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 120

123. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 121

124. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл.122

125. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 123

Режим U-образных характеристик
P const , I B var
Ранее мы рассматривали параллельную работу синхронного
генератора при неизменном токе возбуждения. Что же произойдет
в синхронном генераторе, если после подключения его к сети для
параллельной работы изменить ток в его обмотке возбуждения,
оставив неизменным вращающий момент приводного двигателя?
Предположим, что генератор после подключения на сеть работает
E0
без нагрузки и его ЭДС
уравновешивает напряжение сети U c . Если при этом увеличить
ток в обмотке возбуждения, т.е. перевозбудить машину, то ЭДС
E 0 увеличится до значения E 0/ и в цепи генератора появится
/
избыточная ЭДС E E 0 U c (рис. а), вектор которой совпадает
по направлению с вектором ЭДС E 0 . Ток I d , вызванный ЭДС
E , будет отставать от нее по фазе на 90 0 (поскольку r1 0 ).
E 0 этот ток также будет отстающим
По отношению к ЭДС
(индуктивным). С увеличением перевозбуждения значение
реактивного (индуктивного) тока увеличится.

126. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 124

Векторные диаграммы ЭДС синхронного генератора,
включенного на параллельную работу

127. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 125

Если же после того, как генератор подключен к сети,
уменьшить ток возбуждения, т.е. недовозбудить машину, то ЭДС
//
E 0 уменьшится до значения E 0 и в цепи генератора
опять будет
//
действовать избыточная ЭДС E U c E 0 . Теперь вектор этой
ЭДС будет совпадать по направлению с вектором напряжения
сети U c (рис. б), и поэтому ток I d , вызванный этой ЭДС и
отстающий от нее по фазе на
90 0 , будет опережающим
(емкостным) по отношению к ЭДС генератора E 0 .
Iотстающий
Следует иметь ввиду, что ток
по фазе от ЭДС
d,
Uc
по отношению
к напряжению сети
является опережающим
E0 ,
током и, наоборот, ток
опережающий
по фазе ЭДС
Id ,
Uc.
E 0 ,отстающим по отношению к напряжению
является
Если при всех изменениях тока возбуждения вращающий
момент приводного двигателя остается неизменным, то также
неизменной остается мощность генератора:
P2 m1 U1 I 1 cos j1 const .

128. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 126

U c const активная
Из этого выражения следует, что при
составляющая тока статора I q I 1 cos j1 const .
Таким образом, степень возбуждения синхронного
генератора влияет только на реактивную составляющую
тока статора. Что же касается активной составляющей тока
I q I 1 cos j1 , то она остается неизменной.
Зависимость тока статора I 1 от тока в обмотке возбуждения
I B при неизменной активной нагрузке генератора выражается
графически U образной кривой. На рисунке представлены
U образные кривые I 1 f ( I B ) при P2 const . Кривые
построены для разных значений активной нагрузки:
P2 0 ; P2 0 ,5 Pном ; Р2 Pном . U образные
кривые
синхронного генератора показывают, что любой нагрузке
/
генератора соответствует такое значение тока возбуждения I B ,
при котором ток статора I 1 становится минимальным и равным
только активной составляющей: I 1 min I 1 cos j1 I q . В
этом
случае генератор работает при коэффициенте мощности cos j1 1.

129. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 127

U
образные характеристики синхронного генератора

130. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 128

Значения тока возбуждения, соответствующие cos j1 1
при различной нагрузке генератора, показаны на рисунке
пунктирной кривой. Некоторое отклонение этой кривой вправо
указывает на то, что при увеличении нагрузки ток возбуждения,
соответствующий cos j1 1, несколько возрастает. Объясняется
это тем, что при росте нагрузки необходимо некоторое
увеличение тока возбуждения, компенсирующее активное
падение напряжения.
Необходимо иметь в виду, что при постепенном уменьшении
тока возбуждения наступает такое минимальное его значение,
при котором магнитный поток обмотки возбуждения оказывается
настолько ослабленным, что синхронный генератор выпадает из
синхронизма
–
нарушается
магнитная
связь
между
возбужденными полюсами ротора и вращающимся полем
статора. Если соединить все точки минимально допустимых
значений тока возбуждения на U образных кривых (штриховая
линия в левой части рисунка), то получим линию предела
устойчивости
работы
синхронного
генератора
при
недовозбуждении.

131. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 129

U-образные характеристики:
1. I=f(ib);
2. S=f(ib);
3. Q=f(ib);
4. cosφ=f(ib);
5. θ=f(ib);

132. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 130

133. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 131

134. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 132

135. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 133

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
1. Основные уравнения и векторные диаграммы.
2. Режимы работы двигателя.
3. Угловые и U - образные характеристики.
4. Рабочие характеристики
Преимущества синхронного двигателя:
1. Постоянство частоты вращения.
2. Возможность регулирования cos j .
Недостатки:
1. Отсутствие пускового момента.
2. Сложность пуска.

136. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 134

В соответствии с принципом обратимости электрических
машин синхронная машина может работать не только в режиме
генератора, но и в режиме двигателя, т.е. потреблять из сети
электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.
Для объяснения принципа работы синхронного двигателя
представим себе синхронный генератор, включенный на
параллельную работу в сеть большой мощности.
Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора
1 .
против часовой стрелки с угловой скоростью
При этом
нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора
d d смещена относительно оси вращающегося поля d / d /
на угол / в направлении вращения ротора (рисунок справа).
Вращающий момент приводного двигателя M 1/ уравновешивается
M и/ момента ХХ
суммой электромагнитного момента генератора
На угловой
этому режиму генератора соответствует
( M 1/ характеристике
M / M 0 ).
точка Г.

137. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 135

Переход синхронной машины из генераторного режима в
двигательный

138. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 136

Если уменьшить вращающий момент
M 1/ , то нагрузка
генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться
угол
а следовательно,
и ток статора
В итоге
I 1 . снизится
/ ,
/
величина электромагнитного момента
и приM
вращающемся
моменте
уголM 1/ M 0 т.е. генератор
0 , будет работать в
E0
режиме ХХ
и ЭДС (генератора
I1 0 )
окажется в противофазе с напряжением сети U c .
Этому режиму
на угловой характеристике соответствует точка пересечения осей
координат (точка О на рисунке). Если же вал синхронной машины
отсоединить от приводного двигателя и создать на этом валу
тормозной момент, т.е. момент нагрузки
M 2 , направленный
встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение
вектора ЭДС E 0 на угол
относительно его положения в
режиме ХХ в сторону отставания (левая часть рисунка). При этом в
цепи обмотки статора появится результирующая ЭДС E E 0 U c ,
которая создает в обмотке статора ток I 1 , отстающий по фазе от
r1 0 ) и отстающий
ЭДС E
на угол 90 0 (предполагается
j1 (в генераторном
по фазе от напряжения сети U c на угол
режиме ток I 1 отстает по фазе от ЭДС
E 0 на угол 1).

139. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 137

Ток I 1 создает магнитное поле, вращающееся синхронно с
/
/
ротором, ось которого d d смещена относительно продольной
работа двигателя
оси полюсов ротора
. Допустим,
d на
dугол
происходит в режиме точки Д на угловой характеристике, что
соответствует углу
Возникшие
при
//этом
. тангенциальные
составляющие
сил
магнитного
взаимодействия
полюсов
F1// FM// электромагнитный
sin
создадут на роторе двигателя
момент
M // магнитным
,
направленный согласно с вращающимся
полем и
приводящий ротор во вращение с синхронной частотой
При
этом синхронная машина будет потреблять
1 . из сети электрическую
энергию и преобразовывать ее в механическую энергию вращения
ротора. Вращающий электромагнитный момент
преодолевает
//
момент ХХ
и создает на M
валу двигателя полезный
M 2// ,
моментM 0
под действием которого приводится во вращение исполнительный
механизм:
M // M 0 M 2// .

140. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 138

Все значения момента на угловой характеристике
синхронного двигателя откладываются в отрицательном
направлении оси ординат, так как при переходе синхронной
машины
из
генераторного
режима
в
двигательный
электромагнитный момент меняет свое направление. Также
отрицательной становится мощность синхронного двигателя,
которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как
это происходит в генераторном режиме. Оперирование с
отрицательными значениями мощностей и моментов крайне
неудобно, поэтому при рассмотрении синхронных двигателей
условно будем принимать моменты и мощности положительными,
помня при этом изложенное выше.
Угловые характеристики электромагнитного момента M f ( )
и его составляющих M осн f ( ) и M р f ( ) представлены
на рисунке. Эти характеристики отличаются от угловых
характеристик генератора лишь тем, что располагаются в третьем
квадранте осей координат, т.е. определяются отрицательными
M
значениями углов и моментов
и
M осн ,
а также момента M p при 0 ( 90 0 ).

141. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 139

Угловая характеристика синхронного двигателя

142.

İр´
İ1 ф 0
ф
а
б
Ů1 ф= Ė1 ф
Ů1 ф= Ė1 ф
Ů1 ф= Ė1 ф
Ů1 ф= Ė1 ф
İ1 ф
İ1 ф 0
İ1 ф
İр´
ф
в
İ1 ф 0
İр´
ф
İ1 ф 0 ф
г
Угловая характеристика синхронного двигателя
I1ф
Генераторный
режим
II
n0
Емк. 3
Инд.
I
n
Двигательный
режим
c
1
b
2
I1а
2
Iр
1
U-образная характеристика
синхронного двигателя
a
- Mmax
M
Mном Mн.п Mmax
Механическая характеристика
синхронного двигателя

143. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 141

Активный момент:
m U E0
Ma
sin q .
xd
Реактивный момент:
m U 2
Mp
2
1 1
sin(2 q )
x
x
q
d
Mp
0
90º
θ

144. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 142

Уравнения синхронного двигателя:
U г E U c
U r E U c
U r E генератор
E U двигатель
U E
c
c
U c E 0 E a E E r
U c E 0 j I xa j I x j I xr
U c E 0 I zc

145. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 143

Векторные диаграммы СД с учетом
Недовозбужденный
двигатель
r1
Перевозбужденный
двигатель

146. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 144

Векторные диаграммы СД без учета активного сопротивления
обмотки якоря ( r1 0 )
Недовозбужденный
двигатель
Перевозбужденный
двигатель

147. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 145

Пуск синхронного двигателя
1. Проблема пуска и существующие способы пуска.
2. Асинхронный пуск синхронного двигателя.
3. Влияние обмотки возбуждения на пуск синхронного
двигателя.
Способы пуска синхронного двигателя
1. С помощью разгонного двигателя.
2. Частотный пуск.
3. Асинхронный пуск.
Синхронный двигатель необходимо сделать еще и
асинхронным.

148. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 146

Схемы способов пуска СД

149. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 147

Асинхронный пуск синхронного двигателя

150. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 148

n
100%
95%
n вх
M
0
Mп
Mвх

151. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 149

К выбору желаемой механической характеристики
пусковой обмотки СД
n
100%
Mвх
95%
M
0
Mп

152. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 150

n
50%
M
0
Mнг
Mп

153. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 151

Ma
Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя:
M a – основной момент; M Д – дополнительный момент;
M вх – момент входа в синхронизм

154. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 152

U
– образные характеристики синхронного двигателя

155. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 153

Энергетическая диаграмма СД

156. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 154

Рабочие характеристики синхронного двигателя

157. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 155

Ротор синхронного двигателя может вращаться только с
синхронной частотой n1 60 f 1 / p . Это составляет характерную
особенность таких двигателей и часто определяет область их
применения (например, для привода устройств, требующих
стабильной частоты вращения).
По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не
отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют
некоторые особенности. Их изготовляют преимущественно
явнополюсными с 2 p 6 24 полюсов; воздушный зазор делают
меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что
способствует улучшению ряда параметров двигателя, в частности
уменьшению пускового тока; демпферную (успокоительную)
обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при
пуске двигателя она является пусковой обмоткой; ширина
полюсного наконечника достигает
0 ,9
вместо 0 ,7
в генераторах. Поэтому, несмотря на свойство
обратимости,
синхронные
машины,
выпускаемые
промышленностью, имеют обычно целевое назначение – либо это
синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.

158. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 156

Синхронный компенсатор
Синхронный компенсатор – это синхронный двигатель,
работающий без нагрузки на валу в качестве генератора
реактивной мощности.
Конструктивные особенности:
1. Облегченная конструкция;
2. Отсутствует хвостовик;
3. Установка на открытом воздухе.
Характеристики:
U – образная характеристика.
I=f(ib),
P≈0.
Q=f(ib).

159. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 157

Пример
U c 6 ,3 кВ ;
Qск ?
S потр 1500 кВ А ;
cos j 0 ,95 ;
cos j 0 ,7 ;
(sin j / 0 ,31 )
/

160. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 158

Полный ток и активная составляющая тока в линии сети:
Ic
S
1500
138 A ;
3 Uc
3 6 ,3
I ca I c cos j 138 0 ,7 97 A .
До включения СК реактивная мощность сети:
Q S sin j 1500 0 ,7 1050 кВ Ар.
После включения СК реактивная мощность, потребляемая от
генератора, уменьшается до
Qmin S sin j / 1500 0 ,31 450 кВ Ар
Таким образом, для повышения коэффициента мощности
установки от cos j 0 ,7 до cos j / 0 ,95 требуется включить СК
мощностью:
Qск 1050 450 600 кВ Ар.

161. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 159

При этом активная составляющая тока не изменяется
( I ca 97 A ), а реактивная составляющая этого тока станет
равной:
/
I
/
cp
Q
3 Uc
450
42 A .
3 6 ,3
Следовательно, ток в сети после включения СК:
I c/ I ca2 I cp2 97 2 42 2 104 A,
т.е. ток в сети уменьшился на:
138 104
100% 32 ,7%.
104

162. Синхронные машины специального назначения. Сл. 160

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ СПЕЦИАЛЬНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Синхронные машины с постоянными магнитами
Синхронные
машины
с
постоянными
магнитами
(магнитоэлектрические) не имеют обмотки возбуждения на роторе, а
возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными
магнитами, расположенными на роторе. Статор этих машин обычной
конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.
Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей
небольшой мощности. Синхронные генераторы с постоянными
магнитами применяют реже, главным образом в качестве автономно
работающих генераторов повышенной частоты, малой и средней
мощности.
Синхронные магнитоэлектрические двигатели. Эти
двигатели получили распространение в двух конструктивных
исполнениях: с радиальным и аксиальным расположением
постоянных магнитов.

163. Синхронные машины специального назначения. Сл. 161

При радиальном расположении постоянных магнитов пакет
ротора с пусковой клеткой, выполненной в виде полого цилиндра,
закрепляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов
постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные
прорези, предотвращающие замыкание потока постоянного
магнита в этом цилиндре (рисунок а ).
Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и
аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:
1 – статор; 2 – короткозамкнутый ротор; 3 – постоянный магнит

164. Синхронные машины специального назначения. Сл. 162

Синхронные двигатели с постоянными магнитами

165. Синхронные машины специального назначения. Сл. 163

При аксиальном расположении магнитов конструкция ротора
аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого
двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые
постоянные магниты (рисунок б).
Конструкции с аксиальным расположением магнитов
применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт;
конструкции с радиальным расположением магнитов применяют
в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.
Физически процессы, протекающие при асинхронном пуске
этих двигателей, имеют некоторую особенность, обусловленную
тем,
что
магнитоэлектрические
двигатели
пускают
в
возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе
разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС
частота
которой увеличивается пропорционально частоте
E1п , вращения
ротора. Эта ЭДС создает в обмотке статора ток,
взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий
тормозной момент
направленный встречно вращению
ротора.
M
T

166. Синхронные машины специального назначения. Сл. 164

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными
магнитами на его ротор действуют два асинхронных момента:
вращающий M B (от тока I 1 , поступающего в обмотку статора
из сети) и тормозной MT (от тока I , наведенного в обмотке
1П
статора полем постоянного магнита).
Графики асинхронных моментов магнитоэлектрического
синхронного двигателя

167. Синхронные машины специального назначения. Сл. 165

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения
ротора (скольжения) различна: максимум вращающего момента
M a соответствует значительной частоте вращения (небольшому
скольжению), а максимум тормозного момента MT – малой
частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора
происходит под действием результирующего момента
M рез M a M T ,
который имеет значительный «провал» в зоне малых частот
вращения. Из приведенных на рисунке кривых видно, что влияние
момента MT на пусковые свойства двигателя, в частности на
момент входа в синхронизм M , значительно.
вх
Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо,
чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном
режиме M рез и момент входа в синхронизм M вх были больше
момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента
магнитоэлектрического двигателя в значительной степени зависит
от активного сопротивления пусковой клетки и от степени
возбуждения двигателя, характеризуемой величиной

168. Синхронные машины специального назначения. Сл. 166

0
E0
1,
U1
E 0 – ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого
где
хода при вращении ротора с синхронной частотой.
С увеличением 0
«провал» в кривой момента M рез
увеличивается.
Электромагнитные
процессы
в
магнитоэлектрических
синхронных двигателях в принципе аналогичны процессам в
синхронных двигателях с электромагнитным возбуждением.
Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в
магнитоэлектрических машинах подвержены размагничиванию
действием магнитного потока реакции якоря. Пусковая обмотка
несколько ослабляет это размагничивание, так как оказывает на
постоянные магниты экранирующее действие.
Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных
двигателей – повышенная устойчивость работы в синхронном
режиме и равномерность частоты вращения, а также способность
синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну
сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические
показатели (КПД и cos j1 ).

169. Синхронные машины специального назначения. Сл. 167

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей
– повышенная стоимость по сравнению с синхронными
двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью
и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из
сплавов, обладающих большой коэрцитивной силой (ални,
алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изготовляют на
небольшие мощности и применяют в приборостроении и в
устройствах автоматики для привода механизмов, требующих
постоянства частоты вращения.
Синхронные магнитоэлектрические генераторы.
Ротор такого генератора выполняют при малой мощности в виде
«звездочки» (рисунок а ), при средней мощности – с
когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным
магнитом (рисунок б ). Ротор с когтеобразными полюсами дает
возможность получить генератор с рассеянием полюсов,
ограничивающим ударный ток при внезапном коротком
замыкании генератора. Этот ток представляет большую
опасность
для
постоянного
магнита
ввиду
сильного
размагничивающего действия.

170. Синхронные машины специального назначения. Сл. 168

Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:
1 – вал; 2 – постоянный магнит; 3 – полюс; 4 – немагнитная втулка
Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении
магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с
постоянными магнитами имеют еще один недостаток,
обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, и поэтому
регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах
практически
невозможна.
Это
затрудняет
стабилизацию
напряжения генератора при изменении нагрузки.

171. Синхронные машины специального назначения. Сл. 169

Синхронные реактивные двигатели
Отличительная
особенность
синхронных
реактивных
двигателей (СРД) – отсутствие у них возбуждения со стороны
ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается
исключительно за счет МДС обмотки статора. В двух и в
трехфазных СРД эта МДС является вращающейся.
Для выяснения принципа действия СРД обратимся к
выражению
электромагнитного
момента
явнополюсной
синхронной машины, из которого следует, что если отключить
E),0 то
0основная составляющая момента
обмотку возбуждения (
становится равной нулю и на ротор машины продолжает
действовать лишь реактивная составляющая момента:
m1 U 12
Mp
2 1
1
1
sin( 2 ).
x
x
q
d
Принцип действия СРД заключается в следующем. При
включении обмотки статора в сеть возникает вращающееся
магнитное поле.

172. Синхронные машины специального назначения. Сл. 170

Как только ось этого поля d / d / займет положение в
пространстве расточки статора, при котором она будет смещена
относительно продольной оси невозбужденных полюсов ротора
на угол в сторону вращения (рисунок а), между
полюсами
этого
поля
и
выступающими
полюсами
невозбужденного ротора возникнет реактивная сила магнитного
притяжения полюса ротора к полюсу вращающегося поля статора
d d
Fp .
Принцип действия синхронного реактивного двигателя

173. Синхронные машины специального назначения. Сл. 171

Вектор этой силы F p смещен относительно продольной оси
, поэтому сила F p имеет две
ротора также на угол
составляющие: нормальную Fnp , направленную по продольной
оси ротора, и тангенциальную
направленную
FTp ,
перпендикулярно продольной оси полюсов ротора. Совокупность
тангенциальных составляющих реактивных сил
FTp на всех
полюсах
невозбужденного
ротора
создаст
вращающий
Mp,
реактивный момент
который будет вращать ротор с
синхронной частотой 1 . С ростом механической нагрузки на вал
СРД угол увеличивается и момент M p растет.
0
Однако при значении угла 90 реактивный момент
M p 0. Такая зависимость момента M p от угла является
принципиальной для реактивного момента, отличающей его от
основной составляющей электромагнитного момента M осн
синхронного двигателя с возбужденным ротором, который при
90 0 имеет0максимальное значение. На рисунке б видно,
что при 90 реактивные силы магнитного притяжения Fм . р ,
действующие на каждый полюс невозбужденного ротора, взаимно
уравновешиваются и реактивный момент M p 0.

174. Синхронные машины специального назначения. Сл. 172

175.

М
Θ
nо
N
nо
F
SP
nо
nо
N
э
N
SP
SP F
nо
Режим
генератора Мmax
Мном
э.Т
nо
π/2
Θном
NP
F
э
nо
NP
nо
S
а) у режімі
ідеального Х.Х.
F
э.Т N P
S
S
б) у режімі
двигуна
nо
в) у режімі
генератора
Схема взаимодействия
явнополюсного ротора и поля
синхронной машины (СМ)
Режим
двигателя
Угловая характеристика
синхронного двигателя
Θ

176. Синхронные машины специального назначения. Сл. 174

Максимальное значение реактивного момента M p .max
наступает при значении угла 45 0 . Поэтому зависимость
реактивного момента M p от угла определяется выражением:
M p M p .max sin( 2 ).
Непременное условие создания реактивного момента M p
– явнополюсная конструкция ротора, так как только в этом случае
xq xdСРД
. и развиваемый им момент меньше, чем у
Мощность
синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора.
Объясняется это тем, что у СРД из-за отсутствия магнитного
потока ротора ЭДС
поэтому основная составляющая
электромагнитного момента
и электромагнитный
E0 0 ,
момент СРД определяется лишь
реактивной
составляющей
M осн
0
Поэтому при одинаковых габаритах синхронного
( M M p ).с возбужденными полюсами ротора и СРД мощность
двигателя
на валу и развиваемый момент у СРД намного меньше.

177. Синхронные машины специального назначения. Сл. 175

К недостаткам СРД следует также отнести невысокие
значения коэффициента мощности и КПД. Объясняется это
значительным намагничивающим током статора, так как
возбуждение СРД происходит за счет магнитного поля статора.
В СРД применяют асинхронный пуск. Для этого ротор
снабжают короткозамкнутой пусковой клеткой. На рисунке а
показана традиционная конструкция ротора СРД, отличающаяся
от ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин,
обеспечивающих ротору явнополюсную конструкцию. Чем больше
xd / xq ,
эти впадины, тем больше отношение
а
следовательно, и реактивный момент M p . Однако с увеличением
впадин растет средняя величина воздушного зазора, что ведет к
повышению намагничивающего тока статора, а следовательно, к
снижению
энергетических
показателей
двигателя
–
коэффициента мощности и КПД. Кроме того, с увеличением
впадин сокращаются размеры пусковой клетки, что ведет к
уменьшению пускового момента и момента входа в синхронизм.

178. Синхронные машины специального назначения. Сл. 176

Наилучшие результаты
размеров ротора:
дает
следующее
bn
max
0 ,5 0 ,6 и
10 12.
min
В этом случае удается добиться отношения
отношение
xd
2.
xq
Более совершенна секционированная конструкция ротора
СРД, представляющая собой цилиндр, в котором стальные
полосы 2 залиты алюминием 1 (рисунок б). Такая конструкция
ротора позволяет получить отношение
xd
4 5.
xq
За счет этого существенно возрастает момент M
при
p .max
сохранении намагничивающего тока на допустимом уровне.
На торцах секционированного ротора имеются отлитые из
алюминия кольца, замыкающие алюминиевые прослойки ротора,
образуя короткозамкнутую пусковую клетку.

179. Синхронные машины специального назначения. Сл. 177

Конструкция роторов синхронного реактивного двигателя
Простота конструкции и высокая эксплуатационная
надежность обеспечили СРД малой мощности широкое
применение в устройствах автоматики для привода самопишущих
приборов, в устройствах звуко- и видеозаписи и других
установках, требующих строгого постоянства частоты вращения.

180. Синхронные машины специального назначения. Сл. 178

Мр
Мр max
c учетом R1
2θ
0
θкр
450
900
Угловая характеристика синхронного реактивного двигателя

181. Синхронные машины специального назначения. Сл. 179

Гистерезисные двигатели
Работа гистерезисного двигателя основана на действии
гистерезисного момента. На рисунке а показаны два полюса
постоянного магнита (поле статора); между ними расположен
цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием
внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне,
обращенной к северному полюсу постоянного магнита,
возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к
F ,
южному полюсу постоянного магнита, – северный
полюс. На
ротор начинают действовать силы
направленные радиально
к его поверхности. Если полюсы постоянного магнита вращать
вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания
(гистерезиса)
активная
часть
ротора
не
будет
перемагничиваться одновременно с изменением направления
вращающегося магнитного поля и между осью поля ротора и осью
FMдействующие
,
внешнего поля появится угол
на
Силы
.
ротор, также изменят свое направление на угол
, а
тангенциальные составляющие этих сил
создадут
Ft
гистерезисный момент M Г (рисунок б ).
M

182. Синхронные машины специального назначения. Сл. 180

К понятию о гистерезисном моменте

183. Синхронные машины специального назначения. Сл. 181

Явление магнитного запаздывания заключаются в том, что
частицы ферромагнитного материала ( помещенного во внешнее
магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты,
стремятся ориентироваться в соответствии с направлением
внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то
элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако
повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых
материалах внутренние силы молекулярного трения. Для
изменения направления этих частиц необходима
определенная
МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько
отстает от изменения направления внешнего поля. Это
отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом
гистерезисного сдвига
между вектором магнитного потока 2
и вектором магнитного потока обмотки статора 1 (рисунок в).
Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств
материала ротора.
На преодоление сил молекулярного трения расходуется
часть подводимой мощности, которая составляет потери на
гистерезис. Величина этих потерь зависит от частоты
перемагничивания ротора f 2 f 1 s , а
следовательно,
от
скольжения:

184. Синхронные машины специального назначения. Сл. 182

PГ s PГ .K ,
где
PГ .K – потери на гистерезис при неподвижном роторе (при
s 1 ), т.е. в режиме КЗ.
Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору,
равна потерям в роторе, деленным на скольжение:
PГ
Pэм
PГ .K ,
s
а вращающий момент – электромагнитной мощности, деленной
на синхронную угловую скорость:
Pэм Р Г .К
MГ
,
1
1
то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от
частоты вращения ротора (скольжения). График M Г f ( s )
представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс.

185. Синхронные машины специального назначения. Сл. 183

Механические характеристики гистерезисного двигателя
Угол гистерезисного сдвига зависит от ширины петли
гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала,
тем больше угол гистерезисного сдвига. На рисунке а
представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и
сплава викаллой (кривая 1).

186. Синхронные машины специального назначения. Сл. 184

Петли гистерезиса обычной электрической стали и сплава викаллой
(а) и устройство сборного ротора гистерезисного двигателя (б)
Применение обычной стали для
обеспечивает гистерезисного момента
Только магнитно-твердые материалы,
викаллой, дают возможность получить
момент.
изготовления ротора не
достаточной величины.
например
такие, как
большой гистерезисный

187. Синхронные машины специального назначения. Сл. 185

Гистерезисные двигатели
γ
M=Mвихр.+Мгист.
викаллой,
альни
F
N
Fp
N
S
N
n
S
N
S
M
S
M=Мг+Мв
Мг
М
в
0
n2= n1
1
0
S
n
2
FTМг

188. Синхронные машины специального назначения. Сл. 186

Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными.
Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или
массивного кольца 1, размещенного на втулке 2 (рисунок б ).
Последняя жестко посажена на вал 3.
В машинах с нешихтованным (массивным) ротором
вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В
результате взаимодействия этих токов с полем статора возникает
электромагнитный
момент
значение
которого
пропорционально скольжению: M в .т ,
M в .т
s Pв .т .к
,
1
где Pв .т .к – потери на вихревые токи в роторе при s 1 , т.е. в
режиме КЗ;
1 – угловая синхронная скорость.
Наибольшего значения момент
при
M в .т достигает
неподвижном роторе ( s 1 ),
т.е.
в
момент
пуска
электродвигателя. Затем по мере возрастания частоты вращения
(уменьшения скольжения) момент M в .т убывает, при синхронной
частоте он становится равным нулю.

189. Синхронные машины специального назначения. Сл. 187

Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и
асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в
асинхронном режиме неэкономична, так как связана со
значительными потерями на перемагничивание ротора, величина
которых возрастает с увеличением скольжения.
Преимущества гистерезисных двигателей – простота
конструкции, бесшумность и надежность в работе, большой
пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно
высокий КПД, малое изменение кратности тока от пуска до
номинальной нагрузки ( I n / I ном 1 ,3 1 ,4 ).
Недостатки гистерезисных двигателей – низкий коэффициент
мощности
высокая
(cos jи1 0 ,4сравнительно
0 ,5 )
стоимость. Кроме того, при резких колебаниях нагрузки
гистерезисные двигатели склонны к качаниям, что создает
неравномерность хода (вращения). Объясняется это отсутствием
у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая при резких
изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее
(демпфирующее_ действие).
Наиболее сильные качания
наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи
сильно ограничены. Вызываемая качаниями неравномерность
вращения ограничивает области применения гистерезисных
двигателей

190. Синхронные машины специального назначения. Сл. 188

Реактивно-гистерезисные двигатели
ДСД
ДСДР
М=Мр+Мг+Мас

191. Синхронные машины специального назначения. Сл. 189

Шаговые двигатели
Шаговые (импульсные) двигатели (ШД) используют обычно
в качестве исполнительных двигателей, преобразующих
электрические сигналы (импульсы напряжения) в угловые или
линейные дискретные (скачкообразные) перемещения (шаги).
Наибольшее применение ШД получили в электроприводах с
программным управлением.
Различают шаговые двигатели с активным (возбужденным)
и реактивным ротором. Шаговые двигатели с активным
ротором имеют обмотку возбуждения или выполнены с
постоянными магнитами на роторе; шаговые двигатели с
реактивным ротором не имеют обмотки возбуждения, а их
ротор выполняют из магнитно-мягкого материала. Обмотку
управления ШД обычно располагают на статоре и делают одноили многофазной (чаще трех- или четырехфазной).
Рассмотрим принцип действия шагового двигателя на
примере реактивного трехфазного ШД, статор которого имеет
шесть явно выраженных полюсов (по два полюса на фазу), а
ротор – два полюса.

192. Синхронные машины специального назначения. Сл. 190

Принцип действия реактивного шагового двигателя

193. Синхронные машины специального назначения. Сл. 191

При прохождении импульса тока в фазе 1 обмотки
управления ротор занимает положение, соответствующее
действию электромагнитных сил, т.е. по оси полюсов 1 – 1. В
момент времени t 1 появится импульс тока в фазе 2. При этом на
ротор будут действовать силы, обусловленные одновременным
воздействием двух МДС (полюсов 1 – 1 и 2 – 2). В результате
ротор повернется по часовой стрелке и займет положение,
промежуточное между полюсами 1 – 1 и 2 – 2, т.е. повернется на
шаг ш 30 0 . В момент t 2 импульс тока в фазе 1 прекратится
0
30
, займет положение по оси
и ротор, сделав шаг ш
полюсов 2 – 2. В момент t 3 появится импульс тока в фазе 3 и
0
ротор, повернувшись еще на 30 , займет положение между
полюсами статора 2 – 2 и 3 – 3. В моменты времени t 4 , t 5 и t 6
0
ротор также будет совершать шаги на 30 и в конце цикла
(момент t 6 ) займет положение по оси полюсов статора 1 – 1,
0
совершив за этот цикл поворот на 180 .
В последующие циклы процессы в ШД будут повторяться.

194. Синхронные машины специального назначения. Сл. 192

Таким образом, рассматриваемый реактивный трехфазный
ШД работает по шеститактной схеме коммутации с раздельносовместным включением фазных обмоток управления:
1 12 2 23 3 31 ...
Работают реактивные ШД от однополярных импульсов
напряжения, так как изменение полярности этих импульсов не
изменяет направления реактивного момента. Для изменения
направления
вращения
ротора
рассматриваемого
ШД
необходимо изменить схему коммутации обмоток, например:
1 13 3 32 2 21 ...
Если в этом двигателе применить раздельное включение
обмоток, т.е. принять схему коммутации 1 2 3 ..., то
шаг двигателя ш 60 0 .
Шаг двигателя:
0
360
ш
,
2 p2 m y k
где
2 p2 – число полюсных выступов на роторе;

195. Синхронные машины специального назначения. Сл. 193

m y – число фазных обмоток управления, пространственно
смещенных относительно друг друга;
k – Коэффициент, определяемый способом включения фазных
обмоток управления (при раздельном включении k 1 , при
раздельно-совместном – k 2 ).
Уменьшение шага ш способствует повышению устойчивости
и точности работы ШД. Для уменьшения шага ш увеличивают
число полюсных выступов на роторе 2 p2 .
Шаговые двигатели с активным ротором (с обмоткой
возбуждения или постоянными магнитами на роторе) позволяют
получить большие значения вращающего момента, а также
обеспечить фиксацию ротора при отсутствии управляющего
сигнала.
Один из важных параметров ШД – частота приемистости –
максимальная частота следования управляющих импульсов, при
которой ротор втягивается в синхронизм с места без потери шага.
У шаговых двигателей реактивного типа частота приемистости при
номинальной нагрузке достигает 1000 – 1300 Гц. С увеличением
шага частота приемистости уменьшается. Шаговый двигатель
работает в комплекте с коммутатором – устройством,
преобразующим заданную последовательность управляющих
импульсов в
фазную систему прямоугольных импульсов

196. Синхронные машины специального назначения. Сл. 194

Шаговый двигатель работает в комплекте с коммутатором –
устройством, преобразующим заданную последовательность
управляющих импульсов в m фазную систему прямоугольных
импульсов напряжения.
При рассматривании принципа работы шагового двигателя
влияние нагрузочного момента на валу двигателя не учитывалось.
Если же на вал шагового двигателя действует нагрузочный момент
тоMпри
н , переключении управляющего импульса с одной
,
фазы на другую МДС статора повернется на угол
а шротор
двигателя, поворачиваясь за вектором МДС, будет отставать от
него на угол
называемый
c , углом статической ошибки
шагового двигателя,
Mн
c arcsin
M max
,
где M max – максимальный статический момент, соответствующий
углу смещения ротора относительно вектора МДС статора
90 эл. град .

197. Синхронные машины специального назначения. Сл. 195

Быстродействие
шаговых
двигателей
определяется
скоростью протекания электромагнитных процессов рот
переключении управляющих импульсов напряжения с одной
фазы статора на другую. Скорость протекания этих процессов
оценивается электромагнитной постоянной времени:
Tэ
где
Lф
rф
,
Lф – индуктивность обмотки одной фазы статора;
rф – активное сопротивление обмотки одной фазы статора.
Для повышения быстродействия шагового двигателя в
обмотки фаз статора последовательно включают резисторы Rдоб ,
тогда
Lф
Tэ
rф Rдоб
.
Частота вращения шагового двигателя регулируется
изменением частоты подачи управляющих импульсов напряжения
на фазы обмотки статора.

198. Синхронные машины специального назначения. Сл. 196

Однофазный ШД
Фу
Фу 2Фпост
ОУ

199. Синхронные машины специального назначения. Сл. 197

Редукторные двигатели
Статор (Z1)
3600
α1=
Z1
Z1-Z2=kp
α1
Z1=16; Z2=18 α1=2.50, (
Ротор (Z2)
n
n1
60 f1
ּ
n=
p
Z2 - Z1
Z2
3600
Z1
3600
Z1
3600
Z2
)
Z2 Z2
Z1

200. Синхронные машины специального назначения. Сл. 198

Синхронный генератор с когтеобразными полюсами и
электромагнитным возбуждением
Такие синхронные генераторы широко применяются в
автотракторном электрооборудовании. На выходе генератора
включают полупроводниковый выпрямитель, поэтому генератор
выполняет функцию источника постоянного тока (рисунок а).
Ротор генератора имеет обмотку возбуждения (рисунок б).
Принципиальная схема включения (а) и магнитная система
синхронного генератора (б) с когтеобразными полюсами

201. Синхронные машины специального назначения. Сл. 199

Когтеобразная конструкция ротора позволяет возбудить
многополюсный ротор посредством одной катушки возбуждения,
подключаемой к источнику постоянного тока через контактные
кольца и щетки. В таком роторе аксиально направленный
магнитный поток возбуждения меняет свое направление в
воздушном зазоре и становится радиально направленным
(рисунок б). Рассматриваемый генератор отличается простотой
конструкции,
компактностью,
надежностью
и
высокой
технологичностью. Последнее преимущество имеет важное
значение в условиях массового производства синхронных
генераторов с когтеобразными полюсами. Обычно эти генераторы
1). кВ А
изготовляются небольшой мощности (менее
В схеме электрооборудования генератор включают параллельно с
аккумуляторной батареей, и он работает с ней в буферном
режиме, т.е. они дополняют друг друга в зависимости от величины
нагрузки и частоты вращения приводного двигателя.
На следующем рисунке показано устройство автомобильного
синхронного генератора типа Г-250.

202. Синхронные машины специального назначения. Сл. 200

Устройство синхронного генератора с когтеобразными полюсами

203. Синхронные машины специального назначения. Сл. 201

Статор 8 этого генератора представляет собой шихтованный
пакет, на 18 зубцах которого расположены катушки 7, образующие
трехфазную обмотку, соединяемую звездой. Ротор состоит из
вала, на который напрессованы две стальные шайбы с
отогнутыми когтеобразными полюсами 2 (по шесть полюсов на
каждой шайбе). На стальную втулку 10 надета цилиндрическая
катушка возбуждения 9, концы которой присоединены к
контактным кольцам 5. На кольца наложены медно-графитовые
щетки 6. На заднем подшипниковом щите 4 расположен
выпрямительный блок из шести кремниевых диодов 3,
соединенных по мостовой схеме. Подшипниковые щиты 1 и 4 и
сердечник статора стянуты тремя болтами. На валу генератора
укреплены центробежный вентилятор 11 и шкив 12, посредством
которого ротор генератора приводится во вращение.

204. Синхронные машины специального назначения. Сл. 202

Индукторные синхронные машины
Некоторые устройства, например установки индукционного
нагрева, гироскопические и радиолокационные устройства,
требуют для своей работы переменного тока повышенной
частоты, выражаемой сотнями и даже тысячами герц. Получение
таких переменных токов посредством синхронных генераторов
обычной
конструкции
сопряжено
с
непреодолимыми
трудностями, так как связано с необходимостью либо увеличения
частоты вращения свыше 3000 об/мин, либо чрезмерного
увеличения числа полюсов, либо одновременного применения
обоих мероприятий. Однако увеличение частоты вращения ведет
к возрастанию центробежных усилий в роторе до опасных
значений, а увеличение числа полюсов ведет к такому
уменьшению полюсного деления , при котором размещение
обмотки на статоре становится практически невозможным.
Для получения переменного тока повышенной частоты (до
30 кГц) применяют индукторные генераторы, отличительным
признаком которых является то, что за один период магнитный
поток в них не меняет своего знака, как в обычных синхронных
генераторах, а лишь изменяется от max до
значений,
min
т.е. пульсирует (рисунок а ).

205. Синхронные машины специального назначения. Сл. 203

Индукторный генератор сдвоенного типа:
а – график магнитного потока; б – устройство генератора; в –
взаимное расположение статора и ротора

206. Синхронные машины специального назначения. Сл. 204

Пульсирующий поток состоит из двух составляющих:
постоянной cp и переменной пер , представляющей собой
периодически изменяющийся как по значению, так и по
направлению магнитный поток с амплитудой пер 0 ,5 ( max min ).
Постоянная составляющая потока не наводит в обмотках ЭДС, а
переменная составляющая, сцепляясь с рабочей обмоткой
генератора, наводит в ней ЭДС.
Существует несколько конструктивных схем индукторных
генераторов. Все они основаны на создании пульсаций
магнитного потока за счет изменения проводимости магнитной
цепи, т.е. за счет зубцовых пульсаций магнитного потока. Для
этого статору и ротору придают зубчатую структуру. Когда зубец
ротора находится против зубца статора, то магнитный поток в
зубце статора приобретает наибольшее значение, когда же
против зубца статора расположен паз ротора, то магнитный поток
в этом зубце статора становится наименьшим. При этом частота
изменений переменного магнитного потока, а следовательно, и
частота ЭДС, наведенной в рабочей обмотке этим потоком,
пропорциональны числу зубцов ротора Z 2 :
f1 Z2 n2 / 60.

207. Синхронные машины специального назначения. Сл. 205

Рассмотрим одну из конструкций индукторного генератора,
называемую сдвоенной (рисунок
б). Статор 1 и ротор 5
генератора выполнены сдвоенными. Обмотка возбуждения 2,
расположенная на статоре, подключена к источнику постоянного
тока и создает магнитный поток, замыкающийся вдоль вала
ротора 4, при этом на каждой части статора (и ротора)
возбуждаются полюсы одной полярности. Число зубцов на
статоре и на роторе одинаково. Пульсации магнитного потока
происходят за счет смещения зубцов вращающегося ротора
относительно зубцов статора. На каждом зубце статора
расположена катушка 3, в которой переменной составляющей
магнитного потока наводится ЭДС.
Весьма важным в индукторных генераторах является
обеспечение постоянства общего магнитного потока при
вращении ротора, так как в противном случае в обмотке
возбуждения 2 будет индуцироваться ЭДС высокой частоты. В
рассматриваемом индукторном генераторе постоянство общего
магнитного потока обмотки возбуждения обеспечивается тем, что
один пакет ротора смещен относительно другого пакета на
половину зубцового деления (рисунок в).

208. Синхронные машины специального назначения. Сл. 206

Благодаря этому магнитное сопротивление суммарному
потоку возбуждения остается неизменным при любом положении
ротора. Это позволило ротор генератора сделать стальным
монолитным (а не шихтованным) с профрезерованными пазами.
Отсутствие обмоток на роторе позволяет исключить в
индукторном генераторе контактные кольца. Это упрощает
конструкцию генератора и повышает его надежность.
Генераторы индукторного типа применяются в качестве
возбудителей турбогенераторов серии ТВВ. На рисунке показано
устройство такого возбудителя – генератора индукторного типа
мощностью 2700 кВА. В отличие от индукторного генератора
сдвоенного типа ротор возбудителя имеет шихтованную
конструкцию. Вентиляция генератора выполняется по замкнутому
циклу с применением газоохладителей.

209. Синхронные машины специального назначения. Сл. 207

Возбудитель индукторного типа мощностью 2700 кВ.А:
1 – статор; 2 – ротор; 3 – газоохладитель

210. Синхронный тахогенератор. Сл. 208

Синхронный тахогенератор
однофазная
обмотка
N
S
S
N

211. Синхронный тахогенератор. Сл. 209

ЭДС, которая индуктируется в однофазной обмотке при
вращении ротора, равна:
E0 4 ,44 0 f w kоб С1 n .
При холостом ходе:
U вых E0 ,
следовательно,
Z обм , Z нг var,
т.е. выходная характеристика синхронного тахогенератора
U f ( n ) – нелинейная.
вых

212. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 210

Переходные процессы в синхронной машине
1. Определение и виды внезапного короткого замыкания.
2. Сверхпроводящий контур и его свойства.
3. Токи и условия внезапного короткого замыкания в различные
моменты времени.
Под внезапным коротким замыканием понимают режим
короткого замыкания в промежуток времени между начальным
моментом короткого замыкания и режимом установившегося
короткого замыкания.
Внезапное короткое замыкание длится весьма короткий
промежуток времени и тем не менее может привести к тяжелой
аварии генератора главным образом в результате возникновения
весьма значительных динамических эффектов.
В дальнейшем будем рассматривать случай внезапного
короткого замыкания в предположении, что замыкание
произошло не в сети, а на зажимах генератора. При этом
условии ток короткого замыкания определяется параметрами
только генератора и получается большим, чем в случае
короткого замыкания в сети.

213. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 211

В основу анализа этого сложного явления положено
представление о сверхпроводящем контуре, т.е. о таком контуре,
активное сопротивление которого равно нулю. Предполагая, что
сверхпроводник представляет собой замкнутый контур, легко
показать, что магнитный поток, сцепленный со сверхпроводящим
контуром, остается постоянным по величине и направлению.
По II-му закону Кирхгофа:
e e i r,
0
где
L
e0 dψ
dt
0
это ЭДС, наведенная в контуре какойнибудь внешней причиной (например,
приближается или удаляется
постоянный магнит). При этом в
контуре возникает ток i, который
создает ЭДС самоиндукции
Ф0
eL
d L i
dt
dψ L
,
dt

214. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 212

L потокосцепление самоиндукции.
Для сверхпроводящего контура r = 0.
Тогда
dψ
dψ
где
откуда
0
dt
L
dt
0,
ψ0 ψ L ψ const,
т.е. полное потокосцепление сверхпроводящего контура остается
постоянным при всех обстоятельствах.
Пусть, например, сначала в контуре нет ни тока, сцепленного
с ним потока, т.е. ψ 0 0 . Если затем приблизить к нему магнит,
и, стало быть, изменить внешнее потокосцепление от нуля до
величины
Ψ 0 , то в контуре возникнет такой по величине и
направлению ток i, который создаст потокосцепление
самоиндукции
Ψ L -Ψ 0 .

215. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 213

L потокосцепление самоиндукции.
Для сверхпроводящего контура r = 0.
Тогда
dψ
dψ
где
откуда
0
dt
L
dt
0,
ψ0 ψ L ψ const,
т.е. полное потокосцепление сверхпроводящего контура остается
постоянным при всех обстоятельствах.
Пусть, например, сначала в контуре нет ни тока, сцепленного
с ним потока, т.е. ψ 0 0 . Если затем приблизить к нему магнит,
и, стало быть, изменить внешнее потокосцепление от нуля до
величины
Ψ 0 , то в контуре возникнет такой по величине и
направлению ток i, который создаст потокосцепление
самоиндукции
Ψ L -Ψ 0 .

216. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 4

Синхронный генератор как раз обладает рядом контуров с
относительно весьма малым активным сопротивлением.
Поэтому на первом этапе изучения физических процессов,
происходящих в генераторе при внезапном коротком
замыкании, можно считать, что активные сопротивления этих
контуров равны нулю. Имеется ввиду три таких контура:
1) обмотка статора;
2) обмотка возбуждения;
3) успокоительная обмотка.
Действительно:
U Г Е0 Е d E q E r ;
при КЗ
тогда
U Г 0; Eq 0; E r 0;
0 Е0 Еd ;
d 0 d d
0;
dt
dt
0 d const .

217. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 214

Для того, чтобы выяснить физическую картину явления при
трехфазном коротком замыкании, достаточно взять одну фазную
обмотку и считать, что она состоит из эквивалентной катушки,
например А - Х. Поэтому в дальнейшем слово трехфазный
опускается.
Предполагается, что до момента короткого замыкания
машина работает вхолостую, т.е. I 1 0 и
рассматриваются
I 0,
условия внезапного К.З. в два различных момента
времени:
1. В момент, когда поток, пронизывающий катушку А - Х, равен 0
( 0 нач 0 ), и, следовательно, наводимая в катушке ЭДС
достигает наибольшего значения, т.е. е0 Е0 max .
2. В момент, когда поток достигает максимума ( 0 нач 0 max ), а
1
е0 0.
Т.е.
0 нач 0;
е 0 Е0 max ;
0 нач 0 max ; e 0 0;
(1)
(2)

218. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 215

Внезапное КЗ СГ
1)
В момент
0 0, а е 0 Е0 max ;
ψ 0 0,
t 0,
e 0 E 0max
α 0,
π
α
,
2
i k 0,
ψ0
ψ 0max
ψ ad ψ 0 0,
т.е. ψ ad ψ 0 .

219. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 216

а)
ad
ik
t
0
0
б)
в)
i
i
iв
iу
Iв
0
t
t
0
Потоки и ток внезапного короткого замыкания при :
а) – ток в обмотке якоря; б) – ток в обмотке возбуждения;
в) – ток в успокоительной обмотке.

220. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 217

0
в
А
N
S
X
Короткое замыкание в момент времени t = 0, когда 0 .
0

221. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 218

Распределение потокосцеплений
T
t
в момент короткого замыкания
4
0 ( ad )
у ( у )
N
А
S
( )
B ( B )
ad ( ad )

222. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 219

Реальное потокосцепление при коротком замыкании
T
(сверхпереходной процесс)
t
4
0 ( ad )
( )
N
А
S
)
ad ( ad

223. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 220

Потокосцепление при коротком замыкании
(переходной процесс)
0 ( ad )
( )
N
А
S
( ad
)
ad

224. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 221

ТОКИ ВНЕЗАПНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
а) ток в успокоительной обмотке
iу
iу
t
0
б) составляющая этого тока в якоре
i
I m
0
t

225. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 222

в) ток в обмотке возбуждения
iв
Iв
iв
t
0
г) составляющая этого тока в якоре
i
Im
0
t

226. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 223

д) установившийся ток короткого замыкания
ik
Im
t
0
е) результирующий ток короткого замыкания в якоре
i
Imc
t
0
I m I m I m
I mc

227. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 224

2)
В момент 0 n max , a
e 0 0;
ψ 0 ψ 0max , e 0 0,
t 0,
α 0, i k 0,
π
α , ψ 0 0,
2
T
α π t ,
2
ψ 0 ψ 0max .

228. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 225

0
t=0
S
А
X
N
B
Потокосцепление при внезапном коротком замыкании при
0 0 m – потокосцепление до короткого замыкания

229. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 226

K ( K )
N
А
S
( )
B ( В )
Потокосцепление при установившемся коротком замыкании

230. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 227

ik
4
3
Iy
Ima
2
T
2
Imc
1
1 – периодическая составляющая тока i ;
k
2 – апериодическая составляющая тока ik ;
3 – кривая результирующего тока внезапного КЗ
t

231. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 228

iу
Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 228
t
0
iв
Iв
Iв
0
t
Токи в успокоительной и обмотке и в обмотке возбуждения

232. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 229

Переходные и сверхпереходные
индуктивные сопротивления
Затухание тока ik при внезапном коротком замыкании можно
учесть изменением параметров короткозамкнутой системы, то
есть ее индуктивных сопротивлений. Для этого достаточно
рассмотреть картину потоков в начальный момент короткого
замыкания на рисунке 1-б. Весь поток (потокосцепление d// ),
создаваемый потоком короткого замыкания I к и сцепленный с
обмоткой якоря, представляет собой сумму двух потоков: потока
//
ad
,
рассеяния
и потока продольной реакции якоря
вытесненного на пути рассеяния успокоительной обмотки и
обмотки возбуждения, т.е.
//
d// ad
;
//
ad
должен
Поток
преодолеть
магнитные
сопротивления трех последовательно соединенных участков
магнитной цепи:

233. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 230

– сопротивление
зазору;
– сопротивление
обмотки;
сопротивление
возбуждения.
Следовательно:
–
Rad
участка пути по якорю и воздушному
R y на пути рассеяния успокоительной
RB на
пути
потока
рассеяния
обмотки
''
Rad
Rad Ry RB .
Сопротивление Rad практически равно сопротивлению пути
потока реакции якоря при установившемся коротком замыкании, так
как оно, в основном, определяется сопротивлением зазора.
Каждое магнитное сопротивление может быть выражено
обратной
величиной
соответствующей
ему
магнитной
проводимости.

234. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 231

''
Если в последней формуле магнитные сопротивления Rad ,
Rad , R y , RB выразим
через
соответствующие
//
проводимости
ad , ad , y , B , то
1
1
1
1
,
//
ad ad y B
или
1
.
1
1
1
ad y B
//
ad
Если обозначить - проводимость потока рассеяния
якоря, то полная проводимость //d , соответствующая потоку d//,
будет
//
d
//
ad
1
.
1
1
1
ad y B

235. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 232

Каждой проводимости отвечает определенная индуктивность
L и при заданной частоте — определенное индуктивное
сопротивление X L .
Таким образом:
X d// — сверхпереходное синхронное продольное индуктивное
сопротивление синхронной машины;
X — индуктивное сопротивление рассеяния якоря;
X ad// — сверхпереходное продольное индуктивное сопротивление
реакции якоря;
X ad — продольное синхронное индуктивное сопротивление
реакции якоря;
X y — индуктивное сопротивление рассеяния успокоительной
обмотки;
X B — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки
возбуждения;
Тогда

236. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 233

X d'' X X ad// X
1
.
1
1
1
X ad X y X B
Этому уравнению соответствует
замещения для сверхпереходного режима:
следующая
Х
U
Хad
Хв
Ху
Обычно сопротивление X y весьма невелико, поэтому
1
и X d// X .
Ху
схема

237. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 234

Физически это объясняется тем, что в начальный момент
внезапного
короткого
замыкания
синхронная
машина
представляет замкнутый накоротко трансформатор, в котором
роль вторичного контура играет по существу только
успокоительная обмотка. Результирующий поток такого
трансформатора должен создавать только ЭДС, достаточную
для преодоления падения напряжения во вторичном контуре.
Если сопротивление последнего близко к нулю, то и
результирующий поток очень мал. А это эквивалентно
отсутствию реакции якоря. Практически остается только поток
рассеяния, который определяет сопротивление Х d//.
Численные значения и (в относительных единицах):
Тип генератора
Х d//*
Х d/*
Неявнополюсный
(турбогенератор)
0,127
0,11 0,14
0,21
0,2 0,24
Явнополюсный
—
0,28
0,21 0,36
(гидрогенератор и двигатель)

238. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 235

Примерно через 0,4 - 0,6 секунды ток в успокоительной
обмотке затухает, т.е. все происходит так, как если бы
сопротивление X y возросло бы до бесконечности. Картина
распределения потока для этого случая показана на рисунке.
Соответственно этому
X X X
/
d
/
ad
X
X d/
1
1
1
X ad X в
,
где
—
переходное
продольное
индуктивное
сопротивление синхронной машины.
Этому уравнению соответствует схема замещения для
переходного режима:
Х
U
Хad
Хв

239. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 236

Величина внезапных токов трехфазного короткого замыкания
Если бы имелась только симметричная составляющая тока
внезапного КЗ, то
E0
I // ,
Xd
//
c
или, если генератор не имеет успокоительной обмотки :
E0
I / .
Xd
/
c
//
c
I c/
I
В действительности на ток
или
налагается
апериодическая составляющая тока внезапного КЗ I ma , причем
//
//
I
2
I
(если
ток
изменяется
синусоидально
,
то
I I
ma
c ).
ma
mc
Действующее значение тока
I k//

240. Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 237

Действующее значение тока
I
//
к
I
// 2
c
I
2
ma
I k//
I I
// 2
c
//
c
2
E0
I 1 ,73 // ;
Xd
//
к
E0
I 1 ,73 / .
Xd
/
к
2
I c// 3 ;

241. Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 238

Параметры СГ при несимметричных режимах
а) Двухфазное короткое замыкание
А
А
FA
Fk2(ФК2)
Ik2
у
x
z
С
FB
В
ФК2—пульсирующий магнитный поток,
частота
p n
f
.
60 поле по методу симметричных
Пульсирующее магнитное
составляющих
раскладываем
на
два:
поле
прямой
последовательности с потоком
и
поле
обратной
np
обр .
последовательности с потоком
Фпр,(А-В-С),n
f(3-фазное КЗ) x1 xd
ФК2
Фобр,(А-В-С),2n
2f
x2

242. Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 239

Действие потока обр учитывается с помощью параметра
x2 — индуктивное сопротивление обратного следования фаз.
Для экспериментального определения x2 :
1) ротор вращают в нормальном направлении со скоростью n;
2) обмотку возбуждения замыкают накоротко;
3) к обмотке статора подводят трехфазное симметричное
напряжение с частотой f , но обратного следования фаз.
U 2ф
Тогда
X2
I 2ф
.
Зная x 2 можно определить величину тока двухфазного
короткого замыкания I к 2 , воспользовавшись схемой замещения:

243. Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 240

IK2
3 E0
.
X1 X2
б) Однофазное короткое замыкание.
В этом случае наряду с системой токов прямой и обратной
последовательности имеется еще система токов нулевой
последовательности I 0 .
Действие тока нулевой последовательности учитывается с
помощью параметра x .
0
Х0
U0ф
I0ф
.

244. Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 241

Зная x0 , можно определить величину тока однофазного
короткого замыкания I к 1 , воспользовавшись схемой замещения:
I к0
3 E0
.
x 1 x 2 x0
Сравним графики характеристик короткого замыкания и
установим выражения для определения x1 , x 2 и x0 :

245. Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 242

Сравнение однофазного,
коротких замыканий:
E0
двухфазного
ХХХ
I
IK1
IK2
IK3
Iв
Х1 Хd
E0
;
I кз
IK3
X2 X1 3
1 ;
IK2
IK3
IK3
.
X0 X1 3
3
IK 2
IK2
и
трехфазного

246. Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 243

Значения индуктивных сопротивлений СМ в о.е.
Синхронное индуктивное
сопротивление СМ
Индуктивное сопротивление
обратной последовательности
Индуктивное сопротивление
нулевой последовательности
Усл.
обозн
Неявнополюсная СМ
Явнополюсная
СМ
xd
1,6 2 ,2
0 ,6 1 ,8
x2 0 ,12 0 ,18
xd
0 ,2 0 ,4
Индуктивное сопротивление
рассеяния фазы обмотки якоря
x0 0 ,05 0 ,16 0 ,07 0 ,1
x a 0 ,08 0 ,25 0 ,1 0 ,3
Сверхпереходное индуктивное
сопротивление по продольной оси
x d//
Переходное индуктивное
сопротивление по продольной оси
/
d
Сверхпереходное индуктивное
сопротивление по поперечной оси
x
x
//
q
0 ,1 0 ,3
-
0 ,25 0 ,4
0 ,12 0 ,25 0 ,15 0 ,35

247. Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 244

248. Колебания СГ. Сл. 245

Колебания СГ
Предположим, что синхронный генератор, подключенный на
параллельную работу к сети, работает ненагруженным. Чтобы
нагрузить генератор, увеличивают вращающий момент первичного
/
двигателя M 1 до значения M 1 , соответствующего повороту оси
полюсов ротора на угол и электромагнитному моменту M M / .
1
1
Однако под действием энергии вращающихся масс
синхронной машины и приводного двигателя ротор повернется на
угол 2 1 , при котором электромагнитный момент генератора
/
/
достигнет значения M M 1 . В результате нарушившегося
равновесия моментов ротор начнет поворачиваться в направлении
уменьшения угла , но силы инерции и в этом случае помешают
ротору остановиться в положении, соответствующем углу 1 и
переведут его в положение, соответствующее углу
при
котором
,
// 3
электромагнитный момент генератора
окажется
M
/
меньше вращающего момента M . Поэтому
ротор
не
остановится в положение 3 , а
будет
поворачиваться
в
направлении увеличения угла
.

249. Колебания СГ. Сл. 246

Колебания синхронной машины:
1 – угловая характеристика; 2 – график затух. колебаний ротора

250. Колебания СГ. Сл. 247

Таким образом, ротор синхронного генератора будет
совершать колебательные движения (качания) около среднего
положения 1 (график 2), соответствующему равновесию
вращающего и электромагнитного моментов. Если бы колебания
ротора не сопровождались потерями энергии, то они
продолжились
неопределенно
долго,
т.е.
были
бы
незатухающими. Однако в реальных условиях колебания ротора
вызывают потери энергии, из которых наибольшее значение
имеют магнитные потери, обусловленные возникновением
вихревых токов в сердечнике ротора.
Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора
оказывает на ротор «успокаивающее» действие, уменьшающее
его колебания. Следовательно, колебания ротора имеют
затухающий характер, и поэтому спустя некоторое время ротор
займет положение, соответствующее углу 1 , при котором
устанавливается равновесие моментов.

251. Колебания СГ. Сл. 248

Причинами, вызывающими колебания ротора,
могут быть либо изменения вращающего момента
первичного двигателя M 1 , либо изменение нагрузки
генератора, т.е. электромагнитного момента M .
Колебания ротора, вызванные указанными причинами,
называются собственными.
Возможны
также
вынужденные
колебания,
вызванные неравномерным вращением ротора,
например, в генераторах с приводом от поршневого
двигателя (дизели, газовые двигатели) Наиболее
опасен случай совпадения частоты собственных
колебании с частотой вынужденных (резонанс
колебаний).
Значительного уменьшения колебаний достигают
применением в синхронной машине успокоительной
(демпферной) обмотки.
Изложенное здесь о колебаниях в СГ в равной
мере относятся и к СД.