Синхронные машины. Машины постоянного тока Синхронные машины. Машины постоянного тока Учебное пособие 1. Синхронные машины 1.1 Принцип действия синхронной машины Статор 1 синхронной машины (рис. 1.1, а ) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Рис. 1.1 – Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б): 1 – статор, 2 – ротор, 3-обмотка якоря, 4 – обмотка возбуждения, 5 – контактные кольца, 6 – щетки Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. При вращении ротора 2 с некоторой частотой n 2 поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э. д. с. E (рис. 1.1, б ), изменяющуюся с частотой f1 =pn2 /60 (1.1) Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток Ia создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n1 =60f1 /p. (1.2) Из (1.1) и (1.2) следует, что n 1 = n 2 , т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Фрез создается совместным действием м. д. с. обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор. В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рис. 1.1, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, – на статоре. Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U с и частотой f1 протекающий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (1.2). В результате взаимодействия этого поля с током I в , протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме–тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращения n 1 = n 2 , независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки. Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы: а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n 2 = n 1 ; б) частота изменения э. д. с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора; в) в обмотке ротора э. д. с. не индуктируется, а ее м. д. с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы. 1.2 Устройство синхронной машины Конструктивная схема машины. Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1.2, а) Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3–3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. Рис. 1.2 – Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем: 1 – якорь, 2 – обмотка якоря, 3 – полюсы индуктора, 4 – обмотка возбуждения, 5 – кольца и щетки Синхронную, машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1.2, б )называют обращенной. Рис. 1.3 – Роторы синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (6) машин: 1 – сердечник ротора, 2 – обмотка возбуждения Конструкция ротора. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами (рис. 1.3, а) и неявнополюсную – с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3, б ). Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному, обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2 /3 каждого полюсного деления. Рис. 1.4 – Устройство явнополюсной машины: 1 – корпус, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – ротор, 5 – вентилятор, 6 – выводы обмотки статора, 7 – контактные кольца, 8 – щетки, 9 – возбудитель На рис. 1–4 показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных листов электротехнической стали и на нем расположена трехфазная обмотка якоря. На роторе размещена обмотка возбуждения. Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде. В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержни пусковой обмотки (рис. 1–5), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то в этих полюсах при пуске и переходных режимах возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкну-тых обмотках. Затухание колебаний ротора при переходных процессах обеспечивается в этом случае вихревыми токами, замыкающимися в массивном роторе. Возбуждение синхронной машины. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 1.6, а ), или же отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель – полупроводниковый или ионный (рис. 1.6, б ). Мощность, необходимая для возбуждения, невелика и составляет 0,3–3% от мощности синхронной машины. В мощных генераторах иногда кроме возбудителя применяют подвозбудитель – небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. В качестве основного возбудителя в этом случае может быть использован синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. В настоящее время питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, все более широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения I в осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, хотя в машинах небольшой мощности применяется регулирование и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. В последнее время в мощных синхронных генераторах начали применять так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 8–6, в). При этой системе в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Рис. 1.5 – Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях: 1-полюсы ротора, 2-короткозамыкающие кольца, 3 – стержни беличьей клетки, 4 – полюсные наконечники Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя через регулятор напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя. 1.3 Особенности конструкции машин большой мощности Синхронные машины большой мощности являются весьма напряженными в конструктивном отношении: отдельные части машины имеют очень большие механические и электромагнитные нагрузки; по интенсивности нагрузок они превосходят все другие электрические машины. Поэтому в них выделяется большое количество тепла, что потребовало применения весьма интенсивного охлаждения. Стремление получить максимальную мощность в заданных габаритах или минимальные габариты при заданной мощности, характерное для проектирования всех электрических машин, в синхронных машинах привело к появлению своеобразных конструкций, сильно отличающихся друг от друга и определяемых в основном типом первичного двигателя. По конструкции крупные синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели. Рис. 1.6 – Схемы возбуждения синхронной машины: 1 – обмотка якоря генератора, 2 – ротор генератора, 3 – обмотка возбуждения, 4 – кольца, 5 – щетки, 6 – регулятор напряжэния, 7 – возбудитель, 8 – выпрямитель, 9 – ротор возбудителя, 10 – обмотка якоря возбудителя, 11 – обмотка возбуждения возбудителя, 12 – под-возбудитель, 13 – обмотка возбуждения подвозбудителя Турбогенераторы . Эти машины, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявно-полюсными. Турбогенераторы, предназначенные для установки на тепловых электростанциях обычного типа, работают, как правило, при максимально возможной частоте вращения 3000 об/мин (имеют два полюса), что позволяет существенно уменьшить габариты и массу машины и паровой турбины. На атомных электростанциях реакторы вырабатывают пар с относительно низкими температурой и давлением. Поэтому для них более экономичными являются турбины и турбогенераторы с частотой вращения 1500 об/мин (имеют четыре полюса). Однако из-за этого значительно увеличивается диаметр ротора турбогенератора (при одинаковой мощности приблизительно в √2 раз). Турбогенераторы выполняют с горизонтальным расположением вала ротора (рис. 1.7). При мощности до 30 МВт (турбогенераторы типа Т2) они имеют поверхностное или косвенное (посредством обдува) воздушное охлаждение, а при больших мощностях (турбогенераторы типа ТВ и ТВ2) – косвенное водородное. Рис. 1.7 – Общий вид турбогенератора ТВВ-1200–2: 1 – корпус, 2 – камеры для сбора и распределения охлаждающего газа, 3 – статор, 4 – обмотка статора, 5 – подшипник, 6 – вал, 7 – ротор В турбогенераторах мощностью более 60 МВт применяют непосредственное внутреннее охлаждение проводов обмоток водородом, дистиллированной водой и трансформаторным маслом. В турбогенераторах с косвенным водородным охлаждением избыточное давление водорода составляет (0,035 – 0,05)·105 Па, при этом исключается проникновение воздуха внутрь корпуса через неплотности и масляные уплотнения концов вала. Смесь водорода с воздухом взрывоопасна при содержании водорода в смеси от 7 до 70%, поэтому содержание водорода в корпусе поддерживается на уровне примерно 97%. Несмотря на это, корпус машины с водородным охлаждением обычно рассчитывают так, чтобы давление, развивающееся при возможном взрыве водорода, не повредило машину. В турбогенераторах с непосредственным (внутренним) охлаждением охлаждающее вещество циркулирует внутри проводников обмоток (рис. 1.8, а) или по каналам, непосредственно соприкасающимся с проводниками (рис. 1.8, б, в). При использовании для этой цели водорода избыточное давление в машине повышается до (3–4)·105 Па, что обеспечивает значительное увеличение теплоемкости, коэффициента теплопередачи и способности к теплоудалению по сравнению с воздухом при атмосферном давлении (примерно в 3–4 раза). Еще большей способностью к теплоудалению обладают трансформаторное масло и вода (соответственно в 16,5 и в 125 раз больше, чем у воздуха). Рис. 1.8 – Выполнение внутренних каналов в обмотках статора (а) и ротора (б, в) в турбогенераторах с непосредственным охлаждением: 1 – пазовая изоляция, 2 – полые проводники, 3 – каналы для прохода охлаждающего вещества, 4 – изоляционные прокладки, 5 – клин, 6 – канал для забора и выброса охлаждающего газа из зазора между ротором и статором В настоящее время в СССР применяют следующие системы непосредственного охлаждения турбогенераторов: а) аксиальная система охлаждения обмоток статора, ротора и сердечника статора водородом повышенного давления, который подается с помощью центробежного компрессора, проходит по аксиальным каналам сердечника статора и полым проводникам обмоток и поступает в газоохладитель, охлаждаемый водой (турбогенераторы типа ТГВ-200; ТГВ-300). При водородном охлаждении газоохладители встраивают в корпус статора или в концевые части машины; б) многоструйная радиальная система охлаждения водородом повышенного давления, в которой обмотка ротора имеет непосредственное охлаждение, а обмотка статора – поверхностное (турбогенераторы типа ТВФ). При этом водород нагнетается двумя вентиляторами, установленными по концам вала, и разделяется на отдельные струи, которые охлаждают лобовые части обмоток статора и ротора, сердечник статора (проходя по радиальным каналам), обмотку ротора и наружные поверхности статора и ротора. Отдельные струи сходятся в центральной части машины и подаются оттуда в газоохладитель; в) многоструйная радиальная система охлаждения сердечника статора и обмотки ротора водородом и одноструйная система охлаждения обмотки статора водой (турбогенераторы типа ТВВ); Рис. 1.9 – Схемы подачи водорода в проводники обмотки ротора в турбогенераторах при аксиальной и многоструйной радиальной системах охлаждения: 1 – лобовые части обмотки, 2 – каналы для входа водорода, 3 – клинья, 4 – каналы для выхода водорода, б – проводники обмотки г) система охлаждения обмоток статора и ротора водой, а сердечников статора и ротора, а также внутреннего пространства машины воздухом или водородом (турбогенераторы типа ТГВ-500); д) система охлаждения обмотки и сердечника статора маслом, обмотки ротора водой, а сердечника ротора и внутреннего пространства машины воздухом или водородом. В этом случае ротор отделен от статора изоляционным цилиндром и полость статора заполнена маслом (турбогенераторы ТГМ). На рис. 1.9 показаны схемы подачи охлаждающего газа в проводники обмотки ротора при непосредственном водородном охлаждении. При аксиальной системе охлаждения водород попадает под бандажные кольца ротора с обеих сторон машины (рис. 1.9, а), охлаждает их и выбрасывается через радиальные отверстия в зазор между ротором и статором. При многоструйной радиальной системе охлаждения водород, поступивший в воздушный зазор через радиальные каналы статора в зоне выхода из них газа, захватывается специальными заборниками внутрь ротора (рис. 1.9, б ), проходит по каналам, имеющимся в пазах ротора, и выбрасывается обратно в воздушный зазор в зоне входа газа в каналы статора. На рис. 1.10, а, б показано устройство для подачи и отвода охлаждающей воды к проводникам обмотки статора. Проводники обмотки статора сообщаются с коллекторами холодной и нагретой воды патрубками, выполненными из изоляционного материала. Нагретая вода проходит через охладитель и вновь поступает в коллектор холодной воды. Роторы турбогенераторов изготовляют из цельных поковок высококачественной стали (рис. 1.11, а ). Диаметр ротора D определяется условиями механической прочности; для ограничения действующих на ротор центробежных сил он не должен превышать 1,0–1,5 м, поэтому приходится увеличивать его длину. Однако и длина ротора ограничивается допустимым прогибом вала и возникающими при этом вибрациями. Рис. 1.10 – Устройство для подачи и отвода охлаждающей воды в проводники обмотки статора: а – общий вид; б – конструктивная схема: 1 – сборный коклектор охлаждающей воды, 2 – гибкие изолирующие шланги, 3 – сборный коллектор нагретой воды, 4 – водораспределительный наконечник, 5 – стержень, подводящий воду к обмотке, 6 – стержень, отводящий воду от обмотки Для того чтобы прогиб вала при неподвижном роторе не превышал 2,5 мм, длина ротора l турбогенератора не должна превышать 7,5–8,5 м. Следовательно, отношение l /D достигает 5 ÷ 6. Указанные размеры ротора являются предельными по возможностям металлообрабатывающих заводов. В СССР такие поковки ротора выпускают с 1932 г. Хотя с тех пор ощутимого прогресса в увеличении размеров ротора не произошло (и в СССР, и за рубежом), мощность турбогенератора со 100 МВ-А при воздушном охлаждении возросла до 800–1200МВ·А за счет снижения механических потерь при переходе к водородному охлаждению поверхности вращающегося ротора и за счет увеличения электромагнитных нагрузок при повышенной интенсивности охлаждения в системах, описанных выше. Рис. 1.11 – Общий вид роторов турбогенератора (а), гидрогенератора (б) и синхронного двигателя (в): 1 – контактные кольца, 2 – кольцевые бандажи, 3 – ротор, 4 – металлические клинья, 5 – вентилятор, 6 – вал, 7 – обмотка возбуждения, 8 – полюсы, 9 – пусковая обмотка Гидрогенераторы . Эти машины приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50–500 об/мин, поэтому их выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами (рис. 1.11, б ). Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590 – 640 МВ·А), т.е. для таких генераторов отношение l /D = 0,11 ÷ 0,20. Гидрогенераторы мощностью свыше нескольких десятков мегавольт-ампер выполняют с вертикальным расположением вала (рис. 1.12). На роторе такого гидрогенератора с помощью фланца укрепляют ротор турбины, вследствие чего роторы имеют общие подшипники. В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины: возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического масляного регулятора турбины. В конструкции гидрогенераторов с вертикальным расположением вала весьма ответственной частью является упорный подшипник (подпятник), который воспринимает массу роторов генератора и турбины, давление воды на лопасти турбины, а также динамические усилия. Рис. 1.12 – Общий вид гидрогенератора с вертикальным расположением вала: 1 – верхняя крестовина, 2 – статор, 3 – полюсы ротора. 4 – обод ротора, 5 – вал В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяют на подвесные и зонтичные. В подвесных гидрогенераторах (рис. 1.13, а ) подпятник располагают над ротором генератора на верхней крестовине, а один или два направляющих подшипника – под ним; при этом весь турбоагрегат подвешен на подпятнике к этой крестовине. В зонтичных гидрогенераторах (рис. 1.13, б )подпятник располагают под ротором на нижней крестовине или на крышке турбины, а генератор – над подпятником в виде зонта. Крестовины представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок. Быстроходные гидрогенераторы выполняют обычно подвесного типа; тихоходные – зонтичного. Наиболее тяжелые условия работы ротора гидрогенератора имеют место при аварийном отключении машины от сети. При этом частота вращения ротора сильно возрастает, так как приложенный к нему вращающий момент от турбины остается достаточно большим (быстро прекратить поступление большой массы воды в турбину практически невозможно), а тормозной момент самого генератора из-за резкого сброса нагрузки сильно уменьшается. Рис. 1.13 – Конструктивные схемы гидрогенераторов: подвесного (а) и зонтичного (б) типов: 1 – верхняя крестовина, 2 – подпятник, 3 – направляющие подшипники, 4 – ротор, 5 – статор, 6 – нижняя крестовина, 7 – фланец вала, 8 – турбина, 9 – фундамент, 10 – направляющий подшипник турбины Достигаемую при этих условиях частоту вращения называют угонной; она не должна превышать 2,8–3,5 номинальной частоты вращения. Для уменьшения угонной частоты вращения и сокращения времени выбега ротора до его остановки в гидрогенераторах устанавливают тормоза. Для подпятников, наоборот, наиболее тяжелые условия работы имеют место при пуске и остановке гидрогенератора, так как масляный клин (масляная пленка) в подпятнике образуется только при достаточно большой частоте вращения вала. Для облегчения работы подпятников в гидрогенераторах с вертикальным расположением вала применяют конструкции подпятников с составными самоустанавливающимися сегментами, с гидравлической опорой и автоматическим распределением нагрузки между сегментами и др. Гидрогенераторы мощностью, меньшей нескольких десятков мегавольт-ампер, выполняют обычно с горизонтальным расположением вала. В последнее время значительное распространение получили гидрогенераторы капсульной конструкции (рис. 1.14), которые окружены водонепроницаемой оболочкой – капсулой. При таком устройстве генератор и турбина образуют единую конструкцию, а поток воды, проходящий через турбину, омывает капсулу, что способствует более интенсивному ее охлаждению. Капсульные гидрогенераторы устанавливают на низконапорных гидроэлектростанциях; это позволяет существенно уменьшить объем здания электростанции. Гидрогенераторы из-за небольшой частоты вращения ротора не имеют таких габаритных ограничений, как турбогенераторы. Но в связи со стремлением уменьшить их габариты, массу и стоимость в машинах большой мощности* применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, обмоток ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При тех же основных размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение. Рис. 1.14 – Общий вид гидрогенератора капсульного типа: 1 – капсула, 2 и 3 – статор и ротор генератора, 4 – направляющий аппарат турбины, 5 – ротор турбины, 6 и 8 – подшипники, 7 – вал Непосредственное водяное охлаждение обмоток статора и ротора выполняют так же, как в турбогенераторах путем пропускания воды через полые проводники обмоток (рис. 1.15, а ). Сердечник статора охлаждается водой, циркулирующей по трубам, которые проходят сквозь отверстия в листах сердечника. Часто также применяют систему смешанного непосредственного охлаждения, при которой обмотка статора имеет водяное охлаждение, а обмотка ротора – воздушное охлаждение. На рис. 1.15, б показана система воздушного охлаждения обмотки ротора, называемая поперечной, так как охлаждающий воздух проходит по каналам 7 , расположенным поперек обмотки возбуждения. Эти каналы образуются между двумя расположенными рядом проводниками обмотки возбуждения, один из которых имеет поперечные выемки для прохода воздуха. Охлаждающий воздух подается к обмотке возбуждения по каналам 10, проходящим в сердечнике обода ротора, и по каналам 8 и 9, проходящим в сердечнике полюса. Необходимый для циркуляции воздуха напор создается центробежной силой при вращении ротора. Часть охлаждающего воздуха попадает из каналов 10 обода в междуполюсное пространство и совместно с воздухом, выходящим из каналов 7 , используется для охлаждения статора. В СССР выпускают различные типы гидрогенераторов мощностью до 640 MB·А. Синхронные компенсаторы. Эти машины предназначены для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения. Их обычно выполняют явнополюсными с горизонтальным расположением вала; работают они при частоте вращения 750 – 1000 об/мин. При мощности до 25MB·А синхронные компенсаторы имеют воздушное охлаждение, а при больших мощностях – водородное. Рис. 1.15 – Устройство для охлаждения обмотки ротора гидрогенераторов водой и воздухом: 1 – полюс, 2 – изоляция обмотки, 3 – полые проводники обмотки, 4 – канал для охлаждающей воды, 5 – обод ротора, 6 – проводники обмотки, 7 – каналы для прохода воздуха между проводниками обмотки, 8, 9, 10 – каналы для подачи воздуха к обмотке возбуждения В СССР синхронные компенсаторы выпускают серийно мощностью от 10 до 100 MB·А. Для них характерно наличие роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен передавать значительный вращающий момент (компенсатор обычно работает в режиме ненагруженного электродвигателя). Устанавливают синхронные компенсаторы в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом; герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала не требуется. Обмотку возбуждения у синхронных компенсаторов рассчитывают на большую (чем у генераторов и электродвигателей) м.д.с., так как они должны обеспечивать работу с перевозбуждением. Дизель-генераторы. Эти генераторы предназначены для привода во вращение от двигателей внутреннего сгорания (дизелей). Их выполняют, как правило, явнополюсными с горизонтальным расположением вала. Дизель-генераторы имеют обычно один подшипник, в качестве второй опоры ротора используют подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединен с валом ротора генератора. Возбудитель устанавливают непосредственно на валу ротора или же он приводится от него во вращение с помощью клиноременной передачи. В СССР дизель-генераторы выпускают серийно мощностью от нескольких кВ·А до нескольких МВ·А при частотах вращения от 100 до1500 об/мин. Синхронные двигатели. Их выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (см. рис. 1.11, в ), хотя некоторые мощные двигатели имеют и вертикальное расположение. Эти машины изготовляют на щитовых или стояковых подшипниках, с самовентиляцией, а в некоторых случаях с независимым воздушным охлаждением. В СССР выпускают синхронные двигатели мощностью до нескольких десятков МВт при частотах вращения от 100 до 3000 об/мин. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявно-полюсными. 1.4 Работа синхронного генератора при холостом ходе Э.д.с. в обмотке якоря. При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения. Этот поток направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах обмотки якоря э.д.с. Первая гармоника Е 0 [1] этой э.д.с. определяется по той же формуле, что и первая гармоника э.д.с. для асинхронной машины: E0 =4,44f1 ωa kоб a Фв , (1.3) где ωa и ko 6 a – число витков в фазе и обмоточный коэффициент обмотки якоря; Фв – поток первой гармоники магнитного поля возбуждения. При небольших токах возбуждения магнитный поток мал и стальные участки магнитопровода машины не насыщены, вследствие чего их магнитное сопротивление мало. В этом случае магнитный поток практически определяется только магнитным сопротивлением воздушного зазора между ротором и статором, а характеристика холостого хода E 0 = f (I в ) или в другом масштабе Фв = f (I в ) имеет вид прямой линии (рис. 1.16). По мере возрастания потока растет магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода. При индукции в стали более 1,7–1,8Т магнитное сопротивление стальных участков сильно возрастает и характеристика холостого хода становится нелинейной. Номинальный режим работы синхронных генераторов приблизительно соответствует «колену» кривой характеристики холостого хода; при, этом коэффициент насыщения k н ac , т.е. отношение отрезков ab/ ac, составляет 1,1 – 1,4. При рассмотрении работы синхронной машины в ряде случаев для облегчения математического анализа не учитывают нелинейность кривой холостого хода, заменяя ее прямой линией. Спрямленную характеристику проводят или как касательную к кривой холостого хода (рис. 1.16, прямая 1 ), или через точку b, соответствующую рассматриваемому режиму работы, например при номинальном напряжении (прямая 2 ). В первом случае спрямленная характеристика соответствует работе машины при отсутствии насыщения. Во втором случае она учитывает некоторое среднее насыщенное состояние магнитной цепи машины. Рис. 1.16 – Характеристика холостого хода синхронного генератора В теории синхронной машины широко используют систему относительных единиц. Основные параметры машины (ток, напряжение, мощность, сопротивления) выражают в долях соответствующей базисной величины[2] . В качестве базисных единиц при построении характеристики холостого хода принимают номинальное напряжение U ном машины и ток холостого хода I в0 , при котором Е 0 = U ном . Относительные значения э.д.с. и тока возбуждения при этом запишутся следующим образом: E0* =E0 /Uном ; I0* =Iв /Iв0 Характеристики холостого хода, построенные в относительных единицах для различных синхронных генераторов, при одинаковых коэффициентах насыщения совпадают. Поэтому характеристика холостого хода в относительных единицах может быть принята единой для всех генераторов; для каждого конкретного генератора различие будет только в базисных единицах и коэффициентах насыщения. Форма кривой напряжения. Напряжение, индуктированное в обмотке якоря при холостом ходе, по возможности должно быть синусоидальным. Согласно ГОСТ 183–74 напряжение считается практически синусоидальным, если разность между ординатой действительной кривой напряжения и ординатой синусоиды в одной и той же точке для генераторов мощностью до 1 MB·А не превышает 10%, а для генераторов свыше 1 MB·А-5% от амплитуды основной синусоиды. Чтобы получить кривую напряжения, близкую к синусоидальной, желательно иметь в машине распределение магнитного поля, близкое к синусоидальному. Для этого в неявнополюсных машинах обмотку возбуждения распределяют так, чтобы были уменьшены амплитуды м.д.с. высших гармоник. В явнополюсных машинах этого добиваются увеличением зазора под краями полюсных наконечников. Обмотку якоря также выполняют распределенной (q = 4 ÷ 6) с укороченным шагом (y ≈ 0,8τ). Чтобы исключить третьи гармоники тока и уменьшить потери мощности в машине, обмотку якоря в трехфазных генераторах соединяют звездой. При этом будут отсутствовать также и третьи гармоники в линейном напряжении. Подавление третьих гармоник в кривой фазного напряжения путем укорочения шага обмотки нерационально, так как при у ≈ 0,66τ существенно уменьшается первая гармоника. Указанные меры позволяют получить на выходе, машины практически синусоидальную э.д.с, поэтому при дальнейшем рассмотрении теории синхронной машины можно принимать во внимание только поток первой гармоники магнитного поля и соответствующую гармонику э.д.с. Поток первой гармоники магнитного поля возбуждения Фв называют потоком взаимоиндукции. Магнитное поле возбуждения . Магнитное поле, созданное обмоткой возбуждения, характеризуется рядом коэффициентов, посредством которых реальное распределение индукции в воздушном зазоре приводится к синусоидальному. К числу этих коэффициентов относятся: коэффициент формы кривой поля возбуждения k в = В вm1 /В вm –отношение амплитуды первой гармоники В вm1 индукции поля возбуждения в воздушном зазоре к амплитуде В вm действительного распределения этой индукции; коэффициент потока возбуждения k ф = Ф/Фв – отношение потока Ф, созданного обмоткой возбуждения в воздушном зазоре, к потоку первой гармоники Фв этого поля (потоку взаимной индукции). Определим эти коэффициенты для неявнополюсной и явнопо-люсной машин. На рис. 1.17, а , б показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для неявнополюсной машины. На одно полюсное деление ротора приходится значительное число пазов (20–40), поэтому можно принять, что распределение индукции в воздушном зазоре вдоль окружности якоря (сплошная линия) имеет трапецеидальный характер. Если рассматривать обмотку возбуждения как однофазную, распределенную на части γτ окружности ротора, то при указанном распределении индукции поля возбуждения получим для поля первой гармоники (штриховая линия) Bв m1 =4Bв m kр.в /π, (1.4) где – коэффициент распределения для обмотки возбуждения; γ = Z в2 /Z 2 – коэффициент заполнения окружности ротора обмоткой возбуждения, равный отношению числа пазов ротора Z в2 , заполненных проводниками обмотки, к полному числу Z 2 пазовых делений ротора. Следовательно, коэффициент формы кривой поля возбуждения . (1.5) Магнитный поток возбуждения Ф=αδ τli Bв m (1.6) Рис. 1.17 – Магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре Неявнополюснойи явнополюсной машин При трапецеидальном распределении индукции поток Ф можно считать состоящим из двух частей: потока Ф', соответствующего части (1 – γ )τ окружности ротора, незаполненной обмоткой, и потока Ф», соответствующего части γτ окружности ротора, в пазах которой уложена обмотка возбуждения: Ф=Ф' +Ф'' =Bв m (1-γ)τli + 0,5Bв m γτli = Bв m τli (1-γ/2). (1.7) Поток первой гармоники поля возбуждения Фв =2Bв m 1 τli /π (1.8) Следовательно, коэффициент потока возбуждения (1.9) С учетом (1.7) расчетный коэффициент полюсного перекрытия αi =Ф/(τli Bв m )=1-γ/2. (1.10) На рис. 1.17, в , г показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для явнополюсной машины. При проектировании явнополюсных синхронных машин принимаются меры, чтобы кривая распределения поля возбуждения в воздушном зазоре (сплошная линия) приближалась к синусоиде (для этого воздушный зазор выполняют неравномерным), однако получить идеальное распределение не удается. Поэтому наряду с первой га-рмоникой (штриховая линия) имеется и ряд высших гармоник. Форма распределения магнитного поля и коэффициент k в зависят от коэффициента полюсной дуги αi = b р /τ и формы воздушного зазора, т.е. от отношений δмакс /δ и δ/τ. Обычно αi = 0, б5 ÷ 0,75; δмакс /δ = l ÷ 2,5 и δ/τ = 0,01 ÷ 0,05. При этих условиях k в = 0,90 ÷ l, 20. Коэффициент магнитного потока k ф также зависит от формы распределения магнитного поля и представляет собой отношение площадей, ограниченных рассматриваемыми кривыми. При указанных выше значениях b р /τ, δмакс /δ и δ/τ коэффициент k ф = 0,92 ÷ 1,10. С учетом (1.6) и (1.8) расчетный коэффициент полюсного перекрытия αi =2kв kФ /π. (1.11) 1. 5 Работа синхронного генераторапод нагрузкой. Реакция якоря Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки якоря подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени относительно друг друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n 1 , равной частоте вращения ротора n 2 . Следовательно, магнитные потоки якоря Фа и возбуждения Фв будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Фрез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. F в обмотки возбуждения и м.д.с. F а якоря. Однако в синхронной машине (в отличие от асинхронной) м.д.с. обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе. Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле синхронной машины называют реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины м.д.с. обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и т.д. Рассмотрим, как проявляется реакция якоря при двух основных конструктивных формах синхронных машин – неявнополюсных и явнополюсных. Неявнополюсная машина. В этой машине величина воздушного зазора между статором и ротором по всей окружности остается неизменной, поэтому результирующий магнитный поток машины Фрез и создаваемая им э.д.с. Е при любой нагрузке могут быть определены по характеристике холостого хода исходя из результирующей м.д.с. F рез . Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Фрез может быть существенно упрощен, так как от сложения указанных м.д.с. можно перейти к непосредственному векторному сложению соответствующих потоков: Фрез =Фв +Фа , как это показано на рис. 1.18 и 1.19. Рис. 1.18 – Реакция якоря в неявнополюсной машине при различных условиях нагрузки При ψ= 0 (рис. 1.18, а и 1.19, а ) ток в фазе А – X достигает максимума в момент времени, когда оси полюсов N иS совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармоник магнитных полей. Кривая распределения индукции B a = f( x) для двухполюсной машины будет смещена относительно кривой индукции B в = f( x) в пространстве на 90°, т.е. поток якоря Фа действует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Фв (поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называют продольной и обозначают буквами d –d; ось, проходящую между полюсами, называют поперечной и обозначают q – q. Следовательно, при ψ = 0 поток якоря действует по поперечной оси машины, размагничивая одну половину каждого полюса и подмагничивая другую. Кривая распределения результирующей индукции B рез = f( x) при этом сдвигается относительно кривой B в = f( x) против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на временной векторной диаграмме, т.е. вектор отстает от вектора потока возбуждения на 90°. Вектор результирующего потока ; его модуль При ψ = 90° (рис. 1.18, б и 1.19, б ) ток в фазе А –X достигает максимума на 1/4 периода позднее момента, соответствующего максимуму э.д.с. Е 0 . За это время полюсы ротора перемещаются на 1/2 полюсного деления, вследствие чего кривая B a = f( x) смещается относительно кривой B в = f( x) на 180°. При этом поток якоря действует по продольной оси машины против потока возбуждения ; результирующий поток сильно уменьшается, вследствие чего уменьшается и э.д.с. якоря Ė. Таким образом, при ψ = 90° реакция якоря действует на машину размагничивающим образом. При ψ = – 90° (рис. 1.18, в и 1.19, в ) поток якоря также действует по продольной оси машины, но совпадает по направлению с потоком возбуждения. Следовательно, реакция якоря действует на машину подмагничивающим образом, увеличивая ее результирующий поток и э.д.с. Ė . Выводы, полученные при рассмотрении трех случаев нагрузки, можно распространить и на общий случай, когда –90° < ψ < 90°. При этом характерным является то, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагничивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагничивает ее. Э.д.с. Е при работе генератора под нагрузкой можно рассматривать как сумму двух составляющих: . (1.12) Рис. 1.19 – Кривые распределения индукции в неявнополюсной машинеи векторные диаграммы потоков и э. д. с. при различных углах ψ Э.д.с. Е а пропорциональна потоку Ф а , т.е. току 1 а в обмотке якоря, поэтому ее можно рассматривать как э.д.с. самоиндукции, индуктированную в обмотке якоря, и представить в виде , где х а – индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком реакции якоря. Явнополюсная машина . В этой машине воздушный зазор между статором и ротором не остается постоянным, так как он расширяется по направлению к краям полюсов и резко увеличивается в зоне междуполюсного пространства. По этой причине поток якоря здесь зависит не только от величины м.д.с. F a якоря, но и от положения кривой распределения этой м.д.с. F a = f ( x) относительно полюсов ротора, так как одна и та же м.д.с. якоря в зависимости от ее пространственного положения создает различный магнитный поток. Так, например, при угле ψ = 0 (рис. 1.20, а ), когда поток якоря направлен по поперечной оси машины, кривая распределения индукции B a = B aq имеет седлообразную форму, хотя м.д.с. F а якоря распределена синусоидально. При этом максимуму м.д.с. F a соответствует небольшая индукция, так как магнитное сопротивление воздушного зазора максимально. При угле ψ = 90° (рис. 1.20, б ), когда поток якоря направлен по продольной оси машины, кривая распределения индукции В а = B ad расположена симметрично относительно оси полюсов. В этом случае индукция имеет большее значение, чем при ψ = 0, так как магнитное сопротивление воздушного зазора в данном месте невелико. Соответственно различные максимальные значения будут иметь и первые гармоники B ad1 и В аq1 указанных кривых. Рис. 1.20 – Кривые распределения м. д. с. реакции якоряи создаваемых ею индукций в явнополюсной машине Чтобы избежать трудностей, связанных с изменением результирующего сопротивления воздушного зазора при различных режимах работы машины, при анализе работы явнополюсной синхронной машины следует использовать так называемый метод двух реакций. Согласно этому методу, м.д.с. F a в общем случае представляют в виде суммы двух составляющих: продольной F ad = F a sin ψи поперечной F aq = F a cos ψ(рис. 1.21, а ), причем F a = F ad + F aq . Продольная составляющая F ad создает продольный поток якоря Фаd , индуктирующий в обмотке якоря э.д.с. E ad ,а поперечная составляющая F aq – поперечный поток Фаq , индуктирующий э.д.с. E aq ,причем принимают, что эти потоки не оказывают влияния друг на друга. В соответствии с принятым методом ток якоря I а , создающий м.д.с. F а , также представляют в виде двух составляющих: продольной I d и поперечной I q (рис. 1.21, б ). Рис. 1.21 – Разложение векторов м.д.с. и тока якоря на продольную ипоперечную составляющие Величину магнитных потоков Ф аd и Фаq и индуктируемых ими э.д.с. E ad и E aq можно определить по кривой намагничивания машины или по спрямленной характеристике (рис. 1.22). Однако кривая намагничивания строится для м.д.с. возбуждения F в , имеющей не синусоидальное, а прямоугольное распределение вдоль, окружности якоря. Чтобы воспользоваться указанной кривой или спрямленной характеристикой, м.д.с. F ad и F aq следует привести к прямоугольной м.д.с. возбуждения F в , т.е. найти их эквивалентные значения F ad ' и F aq '. Установление эквивалентных значений F ad ' и F aq ' производят на основании следующих соображений: м.д.с. F ad и F aq создают в воздушном зазоре машины индукции B ad и В аq ,распределенные вдоль окружности якоря так же, как и индукции, создаваемые м.д.с. F а соответственно при углах ψ = 0 и ψ = 90о (см. рис. 1.20, а, б). Первые гармоники B ad 1 и B aq 1 кривых B ad = f ( x ) и B aq = f ( x ) образуют магнитные потоки Фad =Fad /rм ad ; Фaq = Faq /rм aq . где r м ad и r м aq – магнитные сопротивления для соответствующих потоков, учитывающие не только форму воздушного зазора, но и синусоидальность кривой распределения м.д.с. F ad и F aq вдоль окружности якоря. М.д.с. возбуждения создавала бы такие же потоки Фаd и Фаq при меньших величинах м.д.с. F' ad и F' aq : ; . Рис. 1.22 – Векторная диаграмма потоков Фad и Фаq и э. д. с. Ead и Eaq (а) явнополюсной машины и их определение по характеристике холостого хода (б) Из последних выражений можно найти коэффициенты реакции якоря kd и kq , характеризующие уменьшение эффективных значений м.д.с. якоря: ; . (1.13) где r м.в –магнитное сопротивление для потока возбуждения, учитывающее форму воздушного зазора по продольной оси машины и прямоугольное распределение м.д.с. F в вдоль окружности якоря. Чтобы определить коэффициенты kd и kq , необходимо знать, как распределяются вдоль окружности якоря индукции Bad и Baq , созданные продольной Fad и поперечной Faq составляющими м.д.с. якоря, и их первые гармоники Bad 1 и Baq 1 . Для характеристики этого распределения используют коэффициенты формы поля реакции якоря по продольной kad и поперечной kaq осям, аналогичные по своей структуре коэффициенту формы поля обмотки возбуждения k в : ; (1.14а) где Badm 1 и Baqm 1 –амплитуды первых гармоник реального распределения магнитной индукции; Badm и Baqm – максимальные значения индукций Bad и Baq вычисленные в предположении, что воздушный зазор между статором и ротором равномерный, равный его значению под серединой полюса. Коэффициенты kad и kaq зависят от тех же параметров αi , δ/τ и δмакс /δ, что и коэффициент k в , причем (см. рис. 1.20) kaq < kad . Из условий равенства первых гармоник индукций, созданных м.д.с. якоря Fаd и эквивалентной ей м.д.с. возбуждения F' ad и соответственно Faq и F' aq , имеем kad Fad = k в F' ad ;kaq Faq = k в F' aq , откуда ; . (1.14б) Коэффициенты kd и kq физически характеризуют уменьшение магнитного сопротивления для потока Фв по сравнению с потоками Фаd и Фаq Обычно kd = 0,8 ÷ 0,95; kq = 0,3 ÷ 0,65. В машине с явно выраженными полюсами э.д.с. Е при работе генератора под нагрузкой можно представить как сумму трех составляющих: . (1.15) Э.д.с. Ead и Eaq , индуктируемые продольным Фаd и поперечным Фaq потоками якоря, представляют собой по существу э.д.с. самоиндукции, так как сами потоки Фаd и Фаq создаются м.д.с. Fad и Faq , пропорциональные токам Id и Iq . Поэтому для ненасыщенной машины можно считать, что ; , (1.16) где хаd и хаq –индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответствующие полям продольной и поперечной реакций якоря, причем xad /xaq =kad /kaq . (1.17) Для машины с неявно выраженными полюсами м.д.с. якоря приводится к м.д.с. обмотки возбуждения по формуле F'a =kd Fa . 1.6 Векторные диаграммы синхронного генератора При анализе работы синхронных машин обычно используют векторные диаграммы: при качественном–упрощенные диаграммы, справедливые для машин, в которых отсутствует насыщение, а при количественном–уточненные диаграммы. Неявнополюсная машина . Для цепи якоря неявнополюсной синхронной машины можно написать уравнение (1.18а) или , (1.18б) где Esa – э.д.с, индуктированная в обмотке якоря потоком рассеяния; xsa –индуктивное сопротивление, обусловленное этим потоком. На рис. 1.23, а изображена векторная диаграмма, построенная по (1.18б ), называемая диаграммой Потье. Эта диаграмма позволяет определить э. д. с. холостого хода Е 0 с учетом насыщения машины, если заданы напряжение, ток нагрузки (по величине и фазе), характеристика холостого хода и параметры машины. Сначала по известным падениям напряжения строится вектор э. д. с. . (1.18) Рис. 1.23 – Векторная диаграмма синхронной неявнополюсной машины (а) и определение э. д. с. по характеристике холостого хода (б) Так как э.д. с. Е индуктируется результирующим потоком Фрез , который создается результирующей м.д. с. по характеристике холостого хода (рис. 1.23, б) можно определить F рез , соответствующую э.д. с. Е. Вектор совпадает по фазе с вектором , а оба эти вектора опережают по фазе вектор Ė на 90°. Зная и параметры машины, можно найти м.д.с. возбуждения , а затем по характеристике холостого хода определить величину э.д. с. холостого хода Е 0 . Вектор Ė 0 отстает от вектора на 90°. Если требуется перейти от режима холостого хода к режиму нагрузки, то построения производят в обратном порядке. Если машина не насыщена, то векторная диаграмма существенно упрощается, так как в этом случае складывают не м.д. с. и , а соответствующие им потоки и э. д. с. Упрощенную векторную диаграмму синхронной неявнополюсной машины (рис. 1.24, а ) строят по уравнению (1.18 б), которое с учетом (1.12) принимает вид . (1.19а) Поскольку падение напряжения в активном сопротивлении обмотки статора Iа rа сравнительно невелико, им можно пренебречь. Заменяя, кроме того, в уравнении (8–19а) Ėа = – jİа ха , получим . (1.19б) Величину xa + xsa = x сн называют полным или синхронным индуктивным сопротивлением машины. Следовательно, уравнение (1.19б) может быть представлено в виде . (1.19в) Упрощенная векторная диаграмма, соответствующая уравнению (1.19в), изображена на рис. 1.24, б; ее широко используют при качественном анализе работы синхронной машины. Необходимо, однако, отметить, что определение Ė 0 по упрощенной диаграмме дает несколько большую величину, чем по точной диаграмме (см. рис. 1.23, а), в которой учитывается насыщение. Рис. 1.24 – Упрощенная векторная диаграмма синхронной неявнополюсной машины с учетом (а) и без учета (б) активного падения напряжения в якоре Угол θ между векторами Ù и Ė 0 называют углом нагрузки. При работе синхронной машины в генераторном режиме напряжение Ù всегда отстает от э.д.с. Ė 0 , в этом случае угол θ считается положительным. Чем больше нагрузка генератора (отдаваемая им мощность), тем больше угол θ. Явнополюсная машина. Упрощенную диаграмму синхронной явнополюсной машины также можно построить по общему уравнению (1.18а), которое с учетом (1.15) принимает вид . (1.20а) На рис. 1.25, а приведена векторная диаграмма, соответствующая уравнению (1.20а). Если пренебречь малой величиной rа , то . (1.20б) Э. д. с. Ė sa , индуктируемую в обмотке якоря потоком рассеяния, можно представить в виде суммы двух составляющих – Ė sad и Ė saq , ориентированных по осям d –d и q –q: , (1.21) где ; , (1.22) так как ; Рис. 1.25 – Упрощенные векторные диаграммы синхронной явнополюсной машины: а–с учетом активного падения напряжения в якоре: б – без учета этого падения напряжения; в–с заменой э. д. с. на реактивные падения напряжения С учетом (1.22) вместо (1.20б) получим , (1.23а) где Ėd = Ėad + Ėsad и Ėq = Ėaq + Ėsaq . Векторная диаграмма, построенная по (1.23а), приведена на рис. 1.25, б. Заменяя э. д. с. соответствующими реактивными падениями напряжения, будем иметь , (1.23б) где xd = xad +xsa ; xq = xaq + xsa . Сопротивления xd и xq называют полными или синхронными индуктивными сопротивлениями обмотки якоря по продольной и поперечной осям. На рис. 8–25, в приведена векторная диаграмма, построенная по (8–23б). Если заданы векторы тока İа и напряжения Ù, а угол ψ неизвестен, то его можно определить, проведя из конца вектора напряжения Ù отрезок , равный Iа хq и перпендикулярный вектору тока. Конец построенного отрезка будет расположен на векторе э.д. с. Ė 0 или его продолжении, так как проекция отрезка на вектор Ė q равна модулю этого вектора: . 1 .7 Внешние и регулировочные характеристикисинхронного генератора Построение внешних характеристик. Внешние характеристики синхронного генератора представляют собой зависимости напряжения U от тока нагрузки Iа при неизменных токе возбуждения I в , угле φ и частоте f 1 (постоянной частоте вращения ротора n 2 ). Рис. 1.26–Упрощенные векторные диаграммы синхроннойнеявнополюсной машины Они могут быть построены при помощи векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке Iа ном генератор имеет номинальное напряжение U ном , что достигается соответствующим выбором тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора станет равным э.д. с. холостого хода Е 0 . Таким образом, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз φ между Ù и İ а , так как в зависимости от этого угла изменяется величина вектора Ė 0 (при заданном значении U = U ном ). На рис. 1.26 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а ), активно-индуктивной (б )и активно-емкостной (в ) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках Е 0 > U; при активно-емкостной нагрузке Е 0 < U . Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем – увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а в двух других случаях–продольная размагничивающая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0). Рис. 1.27–Внешние характеристики синхронного генераторапри различном характере нагрузки На рис. 1.27 изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении U ном (а) и при одинаковом значении Uo = Eo (б). Во втором случае при U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока короткого замыкания I к . Изменение напряжения. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной (1.24) Обычно генераторы работают с cosφ = 0,9 ÷ 0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu % = 25 ÷ 35%. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, требуется применять специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Δи % , тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δи % . Однако небольшую величину Δи % можно получить, уменьшая синхронное индуктивное сопротивление х сн (в неявнополюсных машинах) или соответственно хd и xq (в явнополюсных машинах), т.е. поток якоря, для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. При таком способе уменьшения Δи % необходимо увеличивать м.д. с. обмотки возбуждения, что заставляет увеличивать размеры этой обмотки и делать в конечном итоге синхронную машину более дорогой. В мощных турбогенераторах мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δи % . В гидрогенераторах (по сравнению с турбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т.е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δи % . Рис. 1.28 – Регулировочные характеристики синхронного генераторапри различном характере нагрузки Регулировочные характеристики синхронного генератора. Эти характеристики (рис. 1.28) представляют собой зависимости тока возбуждения I в от тока нагрузки Iа при неизменных напряжении U, угле φ и частоте f 1 . Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что при возрастании нагрузки необходимо при φ > 0 увеличивать ток возбуждения, а при φ < 0-уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения. 1 .8 Определение индуктивных сопротивленийсинхронной машины Опыты холостого хода и короткого замыкания. Синхронные индуктивные сопротивления машины могут быть найдены по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания. При опыте холостого хода определяют характеристику холостого хода E 0 = f (I в ) при номинальной частоте вращения машины, изменяя ток возбуждения I в . При опыте короткого замыкания фазы обмотки якоря замыкают накоротко через амперметры, после этого ротор приводят во вращение с номинальной частотой и снимают характеристику короткого замыкания, т.е. зависимость тока якоря от тока возбуждения I а = f (I в ). Эта характеристика (рис. 1.29, а) имеет линейный характер, так как при rа ≈ 0 сопротивление цепи якоря является чисто индуктивным и ток короткого замыкания I к = Id (рис. 1.29, б )создает поток реакции якоря, размагничивающий машину. В результате магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной, т.е. э. д. с. Е 0 и ток I к будут изменяться пропорционально току возбуждения I в . При работе машины в рассматриваемом режиме напряжение U = 0, поэтому уравнения (1.23б) и (1.19в) принимают вид: для явнополюсной машины ; (1.25а) для неявнополюсной машины . (1.25б) Рис. 1.29–Характеристики холостого хода и короткого замыкания (а)и векторная диаграмма явнополюсной машины при коротком замыкании (б) Определение индуктивных сопротивлений xd и xq. Из формулы (1.25а) можно определить синхронное индуктивное сопротивление машины по продольной оси , (1.26a) где э. д. с. Е 0 и ток I к должны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения (рис. 1.29, а). Для прямолинейного участка характеристики холостого хода безразлично, при каком токе возбуждения определяется xd , так как во всех случаях xd = const. Такое же значение сопротивления xd будет при любом значении тока возбуждения, если величину Е 0 находить по спрямленной характеристике холостого хода. Полученное таким путем значение xd будет соответствовать ненасыщенной машине. Для насыщенной машины значение xd уменьшается и его можно было бы определить по формуле (1.26а), подставляя в нее действительное значение э.д. с, полученное по характеристике холостого хода. Однако значение xd нас с учетом насыщения будет справедливо только для одной точки характеристики, соответствующей определенной величине потока по продольной оси. Изменение тока возбуждения ведет к изменению хd нас , при этом приходится оперировать с переменной величиной, что крайне неудобно. Поэтому практически употребляется только ненасыщенное значение xd , а учет насыщения, если это требуется, производится непосредственным определением соответствующих э. д. с. по характеристике холостого хода (как это было показано при построении диаграммы Потье). Если известны коэффициенты приведения kd и kq , то по полученному значению xd можно определить синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси: . (1.26б) В неявнополюсных машинах xd = xq = x сн , т.е. х сн = Е 0 /I к . Если выразить синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах, то ; . (1.27) где Iа ном и U ном – фазные значения номинальных величин тока и напряжения. Сопротивления в относительных единицах наглядно выражают параметры машины, показывая относительную (по отношению к номинальному напряжению) величину падения напряжения при номинальном токе. Относительные величины позволяют, кроме того, сравнивать между собой свойства генераторов различной мощности. Отношение короткого замыкания . Иногда в паспорте машины указывается величина, обратная x d* , называемая отношением короткого замыкания : . (1.28) Это отношение характеризует величину установившегося тока короткого замыкания I к ном , который имеет место при токе возбуждения генератора, соответствующем номинальному напряжению . В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности x d* = 0,6 ÷ 1,6, axq * = 0,4 ÷ 1. Сопротивление x d* определяется в основном реакцией якоря, так как относительная величина индуктивного сопротивления, обусловленного потоком рассеяния, мала (xsa * = 0, l ÷ 0,2). В неявнополюсных машинах средней и большой мощности обычно сопротивление х сн* = 0,9 ÷ 2,4. При указанных значениях x d* и хq* , для гидрогенераторов k о.к.з = 0,8 ÷ 1,8, а для турбогенераторов k о.к.з = 0,5 ÷ 1,0. Следовательно, установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик (в некоторых машинах он меньше номинального), так как при этом режиме угол ψк ≈ 0 и поле якоря сильно размагничивает машину. Очевидно, что результирующий магнитный поток Фрез.к << Фв и э.д.с. Е к << Е 0 . Коэффициент k о.к.з имеет большое значение для эксплуатации не только потому, что показывает кратность тока короткого замыкания, но также и потому, что определяет предельную величину мощности, которой можно нагрузить синхронный генератор. В этом отношении выгоднее иметь машины с большим k о.к.з , однако это требует выполнения ее с большим воздушным зазором, что существенно удорожает машину. Определение индуктивного сопротивления хsa .Для определения xsa снимают индукционную нагрузочную характеристику генератора, т.е. зависимость его напряжения U от тока возбуждения I в при неизменных токе нагрузки Iа = I ном , частоте f 1 и cosφ = 0 (чисто индуктивная нагрузка). Нагрузочная характеристика 2 (рис. 1.30, а ) проходит ниже характеристики холостого хода 1, которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iа = 0. Рис. 1.30–Индукционная нагрузочная характеристика синхронного генератора (а)и его векторная диаграмма при индуктивной нагрузке (б) Так как при снятии индукционной нагрузочной характеристики в машине имеется только продольная составляющая м. д. с. Fаd реакции якоря, то, как следует из векторной диаграммы (рис. 1–30, б ), результирующая м. д. с. и напряжение машины Ù = Ė 0 –jİ a xad –jJa xsa = Ė –jİ a xsa . Точка А кривой 2 соответствует режиму короткого замыкания, т.е. значению U = 0 при I к = I ном . Треугольник ABC называют реактивным или характеристическим треугольником; его горизонтальный катет СА соответствует току возбуждения I в .к , компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря Fad ном , а вертикальный катет ВС -э. д. с, необходимой для компенсации падения напряжения Ia ном xsa при номинальном токе якоря. Для любой другой точки нагрузочной характеристики при φ = 90° составляющая тока возбуждения, компенсирующая размагничивающее действие реакции якоря, останется неизменной, так как величина тока якоря постоянна. Неизменным останется и падение напряжения Ia ном xsa . Следовательно, нагрузочную характеристику можно получить как след вершины А реактивного треугольника при перемещении его так, чтобы вершина В скользила по характеристике холостого хода, а стороны треугольника оставались бы параллельными соответствующим сторонам первоначально построенного треугольника. В этом легко убедиться, рассматривая точку А ' и треугольник А'В'С' (рис. 1.30) при номинальном напряжении U ном . В этом режиме э.д.с. , т.е. равна ординате точки В'; отрезок соответствует току I в.к , компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря. Отрезок соответствует составляющей тока возбуждения, необходимой для индуктирования э. д. с. Esa = Ia ном xsa . Из рассмотренного вытекает следующий способ определения индуктивного сопротивления xsa . На кривой 2 находят точку А', соответствующую номинальному напряжению U ном , и откладывают влево от этой точки отрезок (его определяют по характеристике короткого замыкания 3 для тока I к = I ном ). Затем через точку О' проводят прямую, параллельную начальной части характеристики 1 , до пересечения с этой характеристикой в точке В'. Опустив из точки В' перпендикуляр на линию О'А', получают отрезок = Ia ном xsa . Следовательно, . Сопротивление, найденное описанным способом, несколько превышает действительное сопротивление, обусловленное потоками рассеяния: , и получило название сопротивления Потье. Сопротивление хр ≈(1,05 ÷1,3) хsa . Последнее объясняется тем, что в точках В' и А' токи возбуждения различны, и, хотя э. д. с. и потоки в воздушном зазоре одинаковы, при большем токе возбуждения имеет место увеличение магнитного сопротивления из-за больших потоков рассеяния обмотки возбуждения, насыщающих полюсы и ярмо индуктора, т.е. реально . 1 .9 Параллельная работа синхронной машиныс сетью Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно электростанции имеют несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую сеть. Это увеличивает общую мощность электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой мощность рассматриваемого генератора является очень малой. В этом случае сбольшой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т.е. что напряжение сети U с и ее частота f с являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора. Рассмотрим условия включения генератора на параллельную работу с сетью и способы регулирования нагрузки. Включение генератора на параллельную работу с сетью. При этом необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя. Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u с и генератора и: . (1.29) На практике осуществление (1.29) сводится к выполнению трех равенств: величин напряжений сети и генератора U cm = Um или U с = U; частот ωс = ωг или f с = f г ; их начальных фаз αс = αг (совпадение по фазе векторов Ù c и Ù ). Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз. Совокупность операций, требуемых для подключения генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f с ≈ f г , а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений U с = U. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (αс = αг ) контролируется специальными приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами. Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности и обычно используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампочки, включенные между фазами генератора и сети (рис. 1.31, а). На каждую лампу действует напряжение Δu = u с –и, которое при f c ≠ f г изменяется с частотой Δf = f с –f г , называемой частотой биений (рис. 1.31, б). В этом случае лампы будут мигать. При f с ≈ f г разность Δи будет изменяться медленно, вследствие чего лампы будут постепенно загораться и погасать. Обычно генератор подключают к сети в момент, когда разность напряжений Δи на короткое время становится близкой нулю, т.е. в середине периода погасания ламп; в этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ù с и Ù. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты вращения ротора, т.е. поддержание условия n 2 = n 1 , происходит автоматически. Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этом приборе при f c ≠ f г стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот f c – f г в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f c = f г она устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала. Часто также применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключается к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При самосинхронизации ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение s до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуктированием тока в успокоительной обмотке и замкнутой обмотке возбуждения. После этого в обмотку возбуждения подается постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой толчок тока, который не должен превышать 3,5Iа ном . Рис. 1.31–Схема подключения синхронного генератора к сетис помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений ис ии перед включением (б) генератора Регулирование активной мощности . После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети U c . По отношению к внешней нагрузке напряжения U и U с совпадают по фазе, а по контуру «генератор – сеть» находятся в противо-фазе, т.е. Ù = – Ù c (рис. 1.32, а ). Так как перед включением в сеть генератор работал вхолостую, то при выполнении указанных ранее трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток Iа после подключения к сети также будет равен нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток Iа при работе генератора параллельно с сетью на примере неявно-полюсной машины. Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (1.19в): . (1.30) Так как Ù = – Ù c = const, то величину тока İа можно изменять только двумя способами: изменяя э.д. с. Ė 0 по величине или по фазе. Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор Ė 0 смещается относительно вектора Ù на некоторый угол θ в сторону вращения векторов (рис. 1.32, б). При этом возникает разность векторов Ė 0 – Ù, приводящая согласно (1.30) к появлению тока İа . Вектор этого тока опережает на 90° вектор – jİа x сн и сдвинут относительно вектора Ù на некоторый угол φ, меньший 90°. При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность P = mUIa cosφ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больший внешний момент приложен к валу генератора, тем больше будет угол θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть. Рис. 1.32 –Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машиныпри параллельной работе с сетью в режимах: а – холостого хода; б–генераторном; в-двигательном Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор Ė 0 будет отставать от вектора напряжения Ù на угол θ (рис. 1.32, в ). При этом возникает ток Iа , вектор которого опережает на 90° вектор – jİа х сн и сдвинут на некоторый угол φ относительно вектора напряжения Ù. Так как угол φ>90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением Ù машины. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р= тÙİа соsφ забирается из сети и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной. Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т.е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки – уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного режима в двигательный. Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 1.33, а ), увеличить ток возбуждения I в , то возрастет э. д. с. Е 0 (рис. 1.33, б) и по обмотке якоря будет проходить ток Iа , величина которого согласно (1.30) определяется только индуктивным сопротивлением х сн машины. Следовательно, ток İ a будет реактивным: он отстает по фазе от напряжения Ù на угол 90е или опережает на тот же угол напряжение сети Ù с . Рис. 1.33–Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машиныпри параллельной работе с сетью, отсутствии активной нагрузкии изменении э. д. с. Е0 путем регулирования тока возбуждения: а – при E0 = Uс ; б – при Е0 > Uс ; в-при E0 < Uc При уменьшении тока возбуждения ток İа изменит свое направление: он будет опережать на 90° напряжение Ù (рис. 1.33, в) и отставать на 90° от напряжения Ù с . Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока İа , т.е. реактивная мощность машины Q= mUIa sinφ. Активная составляющая тока İ a в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р эл = 0, и машина работает в режиме холостого хода. При работе машины под нагрузкой имеют место те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока Iа ,т.е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины, при котором реактивная составляющая тока İ a равна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I в больше тока I в.п , при котором имеет место режим полного возбуждения, то ток Iа содержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения I в меньше тока I в.п , то ток Iа содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения. Рис. 1.34–Определение активной и реактивной мощностей по упрощеннымвекторнымдиаграммам неявнополюсного (а) и явнополюсного (б)синхронных генераторов Возникновение реактивной составляющей тока Ia физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток, сцепленный с каждой из фаз , не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как . (1.31) Следовательно, если ток возбуждения I в (т.е. поток Фв и э. д. с. Е 0 )становится большим, чем это требуется для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I а , которая создает размагничивающий поток реакции якоря Фа ; при I в меньшем, чем необходимо для полного возбуждения, возникает опережающая составляющая тока Iа , которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Фа . Во всех случаях суммарный поток машины ∑Ф автоматически поддерживается неизменным. 1.10 Мощность и электромагнитный моментсинхронной машины. статическая устойчивость Активная мощность. Чтобы установить, как зависит активная мощность Р синхронной машины от угла нагрузки θ, рассмотрим упрощенные векторные диаграммы (рис. 1.34), построенные при rа = 0. Для неявнополюсной машины из диаграммы (рис. 1.34, а) можно установить, что общая сторона АВ треугольников ОАВ и АСВ или с учетом модулей соответствующих векторов . (1.32) Следовательно, активная мощность машины . (1.33а) Для явнополюсной машины следует исходить из векторной диаграммы, приведенной на рис. 1.34, б. Так какφ = ψ – θ, то активная мощность . (1.33б) Чтобы определить токи Id и Iq , спроектируем модули векторов э. д. с. Ė 0 , напряжения Ù и падений напряжения – jİd xd и – jİ q xq на оси, параллельную и перпендикулярную вектору Ė 0 (см. рис. 1.34, б ). Тогда получим E 0 = U cosθ + Id xd и U sinθ = Iq xq , откуда ; . (1.34) Подставляя значения Id иIq в (1.33б), получим или, используя формулу sin2θ = 2 sinθ·cosθ, . Электромагнитный момент. В синхронных машинах большой и средней мощности потери мощности в обмотке якоря ΔPa эл = mIa 2 ra малы по сравнению с электрической мощностью Р, отдаваемой (в генераторе) или потребляемой (в двигателе) обмоткой якоря. Поэтому если пренебречь величиной ΔPа эл , то можно считать, что электромагнитная мощность машины Р эм = Р . Электромагнитный момент пропорционален мощности Р эм . Поэтому для неявнополюсной и явнополюсной машин: ; (1.35а) . (1.35б) Первый член формулы (1.35б) физически представляет собой основной момент, получающийся в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с током ротора, а второй член–так называемый реактивный момент, возникающий из-за стремления ротора ориентироваться по оси результирующего поля. Последний существует даже при отсутствии тока возбуждения (когда E 0 = 0). В частном случае неявнополюсной машины, когда xd = xq = х сн ,формула (1.35б) принимает вид формулы (1.35а). При неявнополюсной машине зависимость М = f (θ) представляет собой синусоиду, симметричную относительно осей координат (рис. 1.35, кривая 1 ). При явнополюсной машине из-за неодинаковой магнитной проводимости по различным осям (хd ≠ хq )возникает реактивный момент , (1.36) в результате чего зависимость М = f (θ) несколько искажается (кривая 2 ). Реактивный момент, как следует из (1.35б), пропорционален sin2θ (кривая 3 ). Так как электромагнитная мощность Р эм пропорциональна моменту, то приведенные на рис. 1.35 характеристики представляют собой в другом масштабе зависимости Р эм = f (θ) или при принятом предположении (ΔРа эл = 0) зависимости P = f (θ);их называют угловыми характеристиками. Рис. 1.35–Угловые характеристики электромагнитного момента Мдля явнополюсной и неявнополюсной машин Форма кривой М = f (θ) обусловлена тем, что потоки и сдвинуты между собой на тот же угол θ, что и векторы Ė 0 и Ù (векторы и опережают Ė 0 и Ù на 90°). Поэтому если угол θ = 0 (холостой ход), то между ротором и статором существуют только силы притяжения f , направленные ра-диально (рис. 1.36, а ), и электромагнитный момент равен нулю. При θ > 0 (генераторный режим) ось потока возбуждения Фв (полюсов ротора) опережает ось суммарного потока ∑Ф на угол θ (рис. 1.36, б ), вследствие чего электромагнитные силы f , возникающие между ротором и статором, образуют тангенциальные составляющие, которые создают тормозной момент М. Максимум момента соответствует значению θ = 90°, когда ось полюсов ротора расположена между осями суммарного потока статора. При θ < 0 (двигательный режим) ось потока возбуждения отстает от оси суммарного потока (рис. 1.36, в), вследствие чего тангенциальные составляющие электромагнитных сил, возникающих между ротором и статором, создают вращающий момент. Условия статической устойчивости. Угловая характеристика синхронной машины имеет важное значение для оценки ее статической устойчивости и степени перегружаемости. Под статической устойчивостью Рис. 1.36–Картина взаимодействия потоков Фв и ∑Ф в синхронной машине синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимается ее способность сохранять синхронное вращение (т.е. условие n 2 = n 1 )при изменении внешнего вращающего момента М вн , приложенного к его валу. Статическая устойчивость обеспечивается только при углах θ, соответствующих М < М макс .