СИНХРОНЫЕ МАШИНЫ. 
 

УСТРОЙСТВО  И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

      Статор  синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется так же обмоткой. Сердечник ротора вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. условно показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.

Рис 1, а.

  Ротор синхронной машины имеет обмотку  возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от

  Рис 1,б

  постороннего  источника. В качестве источника  чаще всего служит генератор постоянного  тока относительно небольшой мощности (0,3—3,0% от мощности синхронной машины), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с синхронной машиной. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине первичного магнитного поля. Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения называется также индуктором. При изготовлении синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы распределение индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было по возможности близко к синусоидальному.

  Если  ротор синхронной машины привести во вращение с некоторой скоростью п об/сек и возбудить его, то поток возбуждения Ф_f будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах последней будут индуктироваться э. д. с. с частотой 
 

  Э. д. с. статора составляют симметричную трехфазную систему э. д. с., и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.

     При нагрузке обмотка статора создает  такое же по своему характеру вращающееся магнитное поле, как и обмотка статора асинхронной машины. Это поле статора вращается в направлении вращения ротора со скоростью

             об/сек.

Если  подставить сюда f₁ из формулы, то получим

.

     Поля  статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью и образуют, таким образом, общее  вращающееся поле, как и в асинхронной  машине.

     Поле  статора (якоря) оказывает  воздействие на поле ротора (индуктора) и  называется в связи  с этим также полем  реакции якоря.      

     Синхронная  машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке  ее статора трехфазный ток из сети. В  этом случае в результате взаимодействия магнитных  полей статора  и ротора поле статора  увлекает за собой  ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

  Из  формулы следует, что чем больше число пар полюсов синхронной машины р, тем меньше должна быть ее скорость вращения f₁ для получения заданной частоты f₁.

  По  своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные (Рис 1,а) и неявнополюсные (Рис 1,б).

Магнитное поле и параметры  обмотки якоря

Общие положения. 

  При нагрузке обмотки якоря синхронной машины током она создает собственное  магнитное поле, которое называется полем реакции якоря. В нормальных машинах постоянного тока, с установкой щеток на геометрической нейтрали, поле реакции якоря является поперечным, т. е. действует поперек оси главных полюсов. Поэтому оно не индуктирует э. д. с. в обмотке якоря и оказывает относительно слабое влияние на величину потока в воздушном зазоре и на характеристики машины. В отличие от машин постоянного тока в синхронной машине влияние реакции якоря на величину магнитного потока весьма значительно. Это обусловлено прежде всего тем, что в синхронной машине в общем случае возникает также значительная продольная реакция якоря усиливающая или ослабляющая поток полюсов. Кроме того, поле поперечной реакции якоря синхронной машины также индуктирует значительную э. д. с. в обмотке якоря.

     Поэтому реакция якоря синхронной машины оказывает весьма значительное влияние  на характеристики и поведение синхронной машины как при установившихся, так и при переходных режимах работы.

  Индуктор (ротор) явнополюсной машины имеет магнитную  несимметрию, так как ввиду наличие большого междуполюсного пространства магнитное сопротивление -потоку, действующему по направлению поперечной оси q, т. е. по оси междуполюсного пространства, значительно больше магнитного сопротивления потоку, действующему по продольной оси d. Поэтому одинаковая по величине н. с. якоря при ее действии по продольной оси создает больший магнитный поток, чем при действии по поперечной оси. Кроме того, как ротор явнополюсной, так и ротор неявнополюсной машины имеют также электрическую несимметрию, так как их обмотки возбуждения расположены только по продольной оси d, т. е. создают поток, действующий по оси d, и сами сцепляются только с потоком якоря, действующим по этой же оси. Электрическая несимметрия индукторов синхронных машин существенным образом проявляется при несимметричных и переходных режимах их работы.

     Ввиду несимметричного устройства индуктора  возникает необходимость рассматривать действие реакции якоря по продольной и поперечной осям в отдельности. Метод такого рассмотрения впервые был предложен французским электротехником А. Блонделем в 1895 г. и называется методом или теорией двух реакций.

     Метод двух реакций основан на принципе наложения, при котором предполагается, что магнитные потоки, действующие  по поперечной оси, не влияют на величину потоков, действующих по продольной оси, и наоборот. Ввиду наличия определенного насыщения участков магнитной цепи это предположение не вполне правильно. Однако- учет влияния насыщения очень сложен, а определенные коррективы могут быть внесены дополнительно.

Продольная  и поперечная реакция  якоря.

     Рассмотрим  действие реакции якоря многофазной  синхронной машины при установившейся симметричной нагрузке. Для наглядности будем иметь в виду двухполюсную машину и предположим, что она работает в режиме генератора. Получаемые результаты нетрудно

распространить  также на двигательный режим работы. Ради простоты и наглядности на рискаждая  фаза обмотки изображена в виде одного витка с полным шагом {А—X, В—У, С—Z), буквами N, S указана полярность поля возбуждения, а магнитные линии этого поля не показаны.

     Сначала рассмотрим случай, когда угол сдвига фаз  между током якоря и э.д.с. , индуктируемой в обмотке якоря током или полем возбуждения, равен нулю (рис а). Ротор вращается с электрической угловой скоростью

и при  положении ротора, изображенном на рис а,  э. д. с. фазы А максимальна. Так как = 0, то ток этой фазы также максимален и

     Направления токов i_а, i_b,, i_c, нетрудно установить по правилу правой руки, и они указаны на рис. а крестиками и точками. При этих направлениях токов магнитные линии поля реакции якоря в полюсах и теле якоря направлены поперек оси полюсов d. Следовательно, поток реакции якоря Ф„ действует по поперечной оси. Такой характер поля реакции якоря

  Поперечная  реакция якоря вызывает искажение  кривой поля в воздушном зазоре, как и в машинах постоянного  тока, но в синхронной машине действие ее не ограничивается этим, так как вращающееся поле поперечной реакции якоря индуктирует также э. д. с. в обмотке якоря. Величина этой э. д. с. определяется ниже.

     Если  ток I отстает от э. д. с. на = 90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис а на четверть периода позднее, когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке (рис. б). Токи фаз на рис. б , имеют такие же значения, как и на рис. а, вследствие чего и ориентация магнитного потока якоря в пространстве является такой же.

     Если  ток I опережает э. д. с. на = -90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис. а на четверть периода раньше и в этот момент времени ротор занимает по сравнению с рис. а положение, повернутое на 90° против направления вращения (рис. в).

     Токи  фаз на рис. в имеют такие же значения, как и на рис а.

     Из  рис. 32-9, в видно, что при опережающем  токе и  =-90° реакция якоря также действует по продольной оси, но является по отношению к полю возбуждения чисто намагничивающей, т. е. она увеличивает поток по продольной оси машины (продольная намагничивающая реакция якоря).

  Поэтому в общем случае, ток I можно разложить на две составляющие:

     Характеристики синхронных генераторов

     Среди разнообразных характеристик синхронных генераторов отдельную группу составляют характеристики, которые определяют зависимость между напряжением на зажимах якоря U, током якоря I и током возбуждения i_f при f = f_н или п = n_н = const в установившемся режиме работы. Эти характеристики дают наглядное представление о ряде основных свойств синхронных генераторов.

     Они могут быть построены по расчетным  данным, с помощью векторных диаграмм, или по данным соответствующих опытов.

     Характеристики  явнополюсных и неявнополюсных генераторов  в основном одинаковы.

     Схемы для снятия рассматриваемых ниже характеристик опытным путем изображены на рис. На рис. а обмотка якоря Я нагружается с помощью симметричных регулируемых нагрузочных сопротивлений Z_нг.  

  (например, трехфазный реостат и трехфазная индуктивная катушка, включаемые параллельно).

     На  рис. б генератор нагружается на сеть U_c через индукционный регулятор напряжения или регулируемый трехфазный трансформатор, или автотрансформатор РТ. Активная мощность генератора в обоих случаях регулируется путем изменения момента двигателя, вращающего генератор. В схеме рис. 6 воздействие на РТ изменяет напряжение генератора и его реактивную мощность или cos . На практике удобно пользоваться схемой рис б.

     На  рисунке предполагается, что обмотка  возбуждения 0В питается от постороннего источника. Регулирование тока i_f в обоих случаях производится с помощью реостата R. Величина cos   проверяется по показаниям двух ваттметров.

     Все характеристики для наглядности  целесообразно строить в относительных  единицах. 
 
 
 

Магнитные поля и параметры

  успокоительной обмотки

     В нормальных установившихся режимах работы многофазной синхронной машины основная гармоника н. с. реакции якоря вращается синхронно с ротором, неизменна по величине и поэтому токов в успокоительной или пусковой обмотке, расположенной в полюсных наконечниках, не индуктирует.

     При этих условиях относительно небольшие токи в стержнях успокоительной обмотки индуктируются только в результате действия высших гармоник н. с. обмотки якоря и зубцовых пульсации магнитного поля. Эти токи вызывают добавочные потерн, которые учитываются при определении к. п. д.

     Однако  при неустановившихся, несимметричных и других особых режимах работы потоки основных гармоник поля реакции якоря Ф_ad и Ф_qd изменяются или пульсируют во времени и индуктируют в успокоительной обмотке значительные по величине токи.

     Распределение этих токов в стержнях успокоительной или пусковой обмотки показано на рис.1 а и 2 а.

     Рис 1.

Рис 2. 

     Эти токи создают в воздушном зазоре магнитные поля определенной формы, которые можно разложить на основную и высшие гармоники (рис.1б и 2б). Основные гармоники поля успокоительной обмотки обусловливают явление взаимной индукции с обмоткой якоря, а высшие гармоники образуют поле дифференциального рассеяния успокоительной обмотки. Кроме того, существуют также поля пазового и лобового рассеяния успокоительной обмотки.

     Ротор явнополюсной синхронной машины в магнитном  отношении несимметричен. Кроме того, его успокоительная или пусковая обмотка несимметрична и в электрическом отношении, так как контуры токов, составляемые стержнями и участками торцевых замыкающих колец этой обмотки, различны для токов, индуктируемых продольным и поперечным потоками реакции якоря (рис. 1а и 2а). Поэтому количественные соотношения, характеризующие электромагнитные процессы, для осей d и q различны. Для поля воздушного зазора это проявляется в том, что кривые поля имеют различный вид (рис. 1б и 2б). Токи в отдельных стержнях на рис. 1 а также различны. Это же справедливо и для рис. 2а.

     Вследствие  указанной магнитной и электрической несимметрии, строго говоря, вместо единой успокоительной обмотки необходимо рассматривать каждый контур тока на рис. 1а или 2а как отдельную обмотку или отдельную цепь тока.

     Для каждого такого контура по отдельности  можно составить уравнение напряжения или второе уравнение Кирхгофа, причем эти уравнения будут независимы друг от друга, а сопротивления и индуктивности каждого контура различны. В уточненной теории переходных процессов и других особых режимов действие успокоительной обмотки учитывается именно так. Однако для большинства практических целей задачу можно упростить и рассматривать по каждой оси одну эквивалентную успокоительную обмотку, с эквивалентными токами I_уд, I_yq и эквивалентными параметрами. Можно считать, что такие эквивалентные обмотки представляют собой коротко-замкнутые витки с полным шагом (рис. 3).

Рис 3.

     Активные  сопротивления и индуктивности L_yd, L_yq эквивалентных успокоительных обмоток по разным осям различны.

     Токи  и параметры успокоительных обмоток также можно привести к обмотке якоря. При этом взаимная индуктивность с обмоткой якоря для продольной оси будет равна L_ad, а для поперечной оси L_aq. Полные приведенные собственные индуктивности успокоительной обмотки будут:

   где — приведенные индуктивности рассеяния успокоительной обмотки соответственно для продольной и поперечной осей. Очевидно,  что  

      .

  Вместо  полной успокоительной обмотки иногда применяют также неполную успокоительную обмотку (рис. 4),

Рис 4.

которая не имеет междуполюсных соединений. Отсутствие междуполюсных соединений не влияет на величину и распределение токов,а также на величину параметров успокоительной обмотки по продольной оси. Однако действие такой обмотки по поперечной оси значительно ослабляется, так как активное сопротивление r_yd и индуктивность рассеяния увеличиваются, а ток эквивалентной обмотки , уменьшается. Поэтому неполные успокоительные обмотки            применяются редко.

     Отметим, что в каждом реальном стержне  успокоительной обмотки протекает ток, равный сумме продольного и поперечного токов стержня, и ввиду разных направлений этих токов суммарные токи стержней, расположенных симметрично относительно центра полюсного наконечника, различны.

     Неявнополюсные  синхронные машины имеют массивный  ротор, обычно лишены специальной успокоительной обмотки, и роль последней играет само тело ротора. Это же справедливо для явнополюсных машин с массивными полюсами. Действие массивного ротора и массивных полюсов также можно заменить действием эквивалентных успокоительных обмоток.

     Для неявнополюсной машины, имеющей цилиндрический ротор, параметры таких обмоток для обеих осей можно принять одинаковым. Строго говоря, это же справедливо и для обычных успокоительных и пусковых обмоток, так как сечение стержней этих обмоток достаточно велико.

     Некоторое действие оказывают также вихревые токи, индуктируемые при изменении Ф_ad Ф_aq в элементах магнитной цепи ротора явнополюсной машины, имеющей полюсы из листовой стали. Это эквивалентно наличию некоторой дополнительной успокоительной обмотки. Однако этот эффект мал и обычно не учитывается.

     Следует отметить также, что приведенная взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и успокоительной больше, а рассеяние между ними меньше, чем между этими двумя обмотками и обмоткой якоря. Это обусловлено тем, что указанные две обмотки расположены на индукторе поблизости и неподвижны относительно друг друга. Ввиду последнего обстоятельства взаимная индуктивность обмоток возбуждения и успокоительной обусловлена также высшими гармониками их полей в воздушном зазоре. То же самое характерно и для двухклеточного асинхронного двигателя, в котором взаимная индуктивность между обмотками ротора также больше, чем между обмотками ротора и обмоткой статора. Однако в синхронных машинах этим обстоятельством часто пренебрегают.

     Необходимо  также подчеркнуть, что взаимная индукция между поперечной успокоительной обмоткой и обмоткой возбуждения отсутствует.

ХАРАКТЕРИСТИКИ  СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

Характеристика  холостого хода

     (х.  х. х.) определяет зависимость U = f (i_f) при I = 0 и f = f_н Очевидно, что в режиме холостого хода U = Е. Если х. х. х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах, полагая,

            ,  

Рис 1. 

     где - ток холостого хода при U=U_н, то эти х .х. х. будут мало отличаться друг от друга. Поэтому при расчетах различных режимов работы энергетических систем, в которых работает много генераторов, для упрощения расчетов принимается, что х. х. х. всех турбогенераторов, а также х. х. х. всех гидрогенераторов, выраженные в относительных единицах, одинаковы и соответствуют некоторым средним данным реальных характеристик генераторов (рис. 1).

     Такие х. х. х. называются нормальными. Нормальные ненасыщенные х. х. х. показаны на рис. штриховыми линиями.

Характеристика  короткого замыкания

     (х.  к. з.) снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки якоря накоротко (симметричное короткое замыкание) и определяет зависимость I = f (i_f) при U = 0 и f =fн.

     Если  пренебречь весьма незначительным активным сопротивлением якоря, то сопротивление цепи якоря в режиме короткого замыкания будет чисто индуктивным. Поэтому = 90°, Iq = 0, Id = 1 и

     Уравнению соответствует схема замещения  рис. 1, а и векторная диаграмма рис. 1, б.

Рис 1. 

      При коротком замыкании реакция якоря является чисто размагничивающей, э. д. с. Е , от результирующего потока воздушного зазора, равная

Опытное определение

  Опытные х. х. х. и х. к. з. (рис.1) позволяют определить опытное значение продольного синхронного сопротивления x_d.  

     Обычно  находят ненасыщенное значение этого сопротивления , которое в отличие от насыщенного значения x_d для каждой машины вполне определенное. Чтобы определить , для какого-либо значения тока возбуждения, например i_f = ОА (рис. 1), по спрямленной ненасыщенной х. х. х. 3 находят и по х. к. з. 2 — ток I, после чего вычисляют

     Если   и I выражены в относительных единицах, то и получается в этих же единицах.  

     будет определять насыщенное значение х_д при таком насыщении магнитной цепи, которое соответствует данному значению Е. Кривая 4 (рис.) представляет собой насыщенные значения x_d = f(i_f).

Отношение короткого замыкания (о. к. з.).

     Отношением  короткого замыкания k_о.к.з. согласно ГОСТ 183—66, называется отношение установившегося тока короткого замыкания I_k0 при токе возбуждения, который при холостом ходе и п = n_н дает Е =U_н, к номинальному току якоря I_н

Рис 1. 

      В соответствии с рис. 1

      где x_d — насыщенное значение продольного синхронного сопротивления

      Величина  о. к. з., как и величина х_d, определяет предельную величину нагрузки, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы, причем, чем больше о. к. з., тем больше предельная нагрузка.

     Поэтому о. к. з. является важным параметром синхронных машин.

В соответствии с изложенным величина о. к. з. тем  больше, чем больше величина зазора между статором и ротором. Поэтому машины с большим о. к. з. дороже.

Внешняя характеристика

     Внешняя характеристика определяет зависимость  U = f (/) при i_f = const. cos = const, f = /„ и показывает, как изменяется напряжение машины U при изменении величины нагрузки и неизменном токе возбуждения. Внешняя характеристика снимается следующим образом: при i_f = const посредством изменения момента или мощности приводного двигателя изменяют ступенями активную мощность генератора Р и при каждом значении Р с помощью регулируемого трансформатора РТ изменяют U на зажимах генератора так, что достигается необходимое значение cos .

      Вид внешних характеристик при разных характерах нагрузки показан на рис. 1, причем предполагается, что в каждом случае величина тока возбуждения отрегулирована так, что при I=I_н„ также U = U_н. Отметим, что величина I_f при номинальной нагрузке называется номинальным током возбуждения. {Вид внешних характеристик синхронного генератора объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис. 1) существует значительная продольная размагничивающая реакция якоря), которая растет с увеличением тока нагрузки I, и поэтому U с увеличением I уменьшается. При чисто активной нагрузке (кривая 2 на рис. 1) также имеется продольная размагничивающая реакция якоря, но угол   между Е и I меньше, чем в предыдущем случае, поэтому продольная размагничивающая реакция якоря слабее и уменьшение U с увеличением I происходит медленнее.

      При опережающем токе (кривая 3 на рис. 1) возникает продольная 
 

Рис 1.а

намагничивающая реакция якоря и поэтому с увеличением I напряжение U растет. Следует отметить, что значения i_f для трех характеристик различны и наибольшее i_f соответствует характеристике 1.

Номинальное изменение напряжения синхронного генератора

      — это изменение напряжения на зажимах генератора (при его работе отдельно от других генераторов) при изменении нагрузки от номинального значения до нуля и при неизменном токе возбуждения.

      Синхронные  генераторы обычно рассчитываются для  работы с номинальной нагрузкой  при отстающем токе и cos = 0,8. Согласно кривой 1 на рис. 1,а при этом > 0. Величина действующими ГОСТ не регламентируется. Обычно

      Величина  у турбогенераторов больше, чем у гидрогенераторов, так как у первых x_d больше. 

Регулировочная  характеристика

      Регулировочная  характеристика определяет зависимость  i_f =f (I) при U = const, cos = const и / = const и показывает, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизменным. Эта характеристика снимается следующим образом: изменяется ступенями активная мощность Р и при каждом значении Р величина i_f регулируется так, что достигается cos = const. Ввиду изменения внутреннего падения напряжения в РТ одновременно с регулировкой i_f приходится также несколько регулировать напряжение РТ, чтобы поддержать U=const. Вид регулировочных характеристик показан на рис. 1,

Рис 1. 

     причем  предполагается, что для всех изображенных там характеристик величина U одинакова.

     Вид регулировочных характеристик также  объясняется характером действия реакции якоря. При отстающем токе (кривая 1 на рис.1) продольная реакция якоря является размагничивающей и для компенсации ее влияния на величины Ф и U с увеличением I необходимо значительно увеличивать ток возбуждения i_f. При чисто активной нагрузке (кривая 2) размагничивающая продольная реакция якоря слабее и требуется меньшее увеличение i_f. При опережающем токе (кривая 3) продольная реакция якоря стремится увеличивать Ф и U, вследствие чего для сохранения U = const необходимо с увеличением / уменьшать i_f.