Синхронные машины. (Лекция 1)

Синхронные машины (СМ) – это машины переменного тока, у которых частота вращения ротора n2 равна частоте вращения магнитного потока статора.
Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями

В современных электростанциях электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами (СГ), которые напрямую соединяются с гидро-, паро- и газовыми турбинами и относительно редко – двигатели внутреннего сгорания. СГ также служат источниками автономного электропитания на транспорте, в передвижных электростанциях.

Дизель-генератор

Синхронный генератор автомобиля

Синхронный генератор электростанции

Синхронные двигатели (СД) применяются там, где требуется постоянная частота вращения. Мощные синхронные двигатели применяются на металлургических заводах, холодильных станциях, на компрессорных станциях, нефте- и газоперекачивающих станциях трубопроводов, для привода некоторых станков, насосов, вентиляторов и т. д.

Весьма ценным свойством СД является их способность работать при токе, опережающем по фазе питающее напряжение (R-C). Это свойство используется для увеличения коэффициента мощности cosφ сети. Такие СД называются компенсаторами. Они устанавливаются на крупных промышленных предприятиях и на трансформаторных подстанциях.

Синхронный привод компрессора

Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор подстанции

КЛАССИФИКАЦИЯ
СИНХРОННЫХ МАШИН
По назначению СМ можно разделить на генераторы, двигатели и специальные СМ.
По способу возбуждения СМ можно разделить на СМ с электромагнитным возбуждением и от постоянных магнитов.

По конструкции ротора различают неявнополюсный (а) и явнополюсный (б) ротор

Явнополюсный ротор, имеющий выступающие полюсы, применяется для тихоходных машин с частотами вращения до 1000 об/мин.
Для быстроходных мощных машин со скоростями 1500 – 3000 об/мин применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид цилиндра без выступающих полюсов.

Явнополюсный ротор с электромагнитным возбуждением состоит из сердечника 1, полюсных наконечников 2, обмотки возбуждения 3, контактных колец 4, медно-графитовых щеток 5, вала 6.

Роторы-магниты, применяемые в СМ малой мощности, чаще всего в микромашинах (до 500 Вт)

Конструкция синхронных машин

Устройство статора СМ такое же как у статора асинхронной машины; существенные отличия имеются только в СМ большой мощности. Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током через два контактных кольца на валу ротора.

Постоянный ток для питания обмотки ротора получают обычно от промышленной сети переменного тока при помощи управляемых тиристорных выпрямителей, но чаще с помощью возбудителя. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель, в свою очередь, получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижным постоянным магнитом.

Синхронный генератор, как и любой другой генератор, преобразует механическую энергию в электрическую. Для этого ротор СГ должен приводиться во вращение вспомогательным двигателем. На гидроэлектростанции это водяная турбина, на ТЭЦ – это паровая турбина, в автономных установках – это двигатель внутреннего сгорания
Синхронный генератор

Одновременно и в строгой математической зависимости с изменением частоты вращения изменяется частота тока.

Синхронные генераторы трехфазного тока изготовляют на следующие номинальные напряжения: 230, 400, 690, 3150, 6300, 10500, 21000 В.

Принцип действия генератора:
При вращении ротора приводным двигателем с моментом Мвд и частотой вращения n, вместе с ним вращается и основной магнитный поток Ф0, который идет по пути наименьшего магнитного сопротивления, замыкаясь по стали.

Пересекая проводники каждой фазы статорной обмотки, магнитный поток
индуктирует в них ЭДС. Действующее значение синусоидальной ЭДС Е0 при холостом ходе в фазе статора.

где k – обмоточный коэффициент;
w – число витков фазы статора;
Фm – максимальный магнитный поток полюса ротора при токе возбуждения IВ

Обмотки статора обычно соединяют звездой, так как при этом в отличие от соединения треугольником в них отсутствуют высшие гармонические составляющие тока, кратные трем.

Магнитные поля СМ
Магнитное поле ротора
в воздушном зазоре
Ff

При вращении ротора частота f ЭДС, индуктируемая в статоре, определяется выражением:
f = p n2/60
Магнитный поток статора вращается в ту же сторону и с той же частотой, что и ротор. Следовательно, вращающееся поле статора неподвижно относительно ротора.

ЭДС трех обмоток статора:

Присоединим к статорной обмотке трехфазную нагрузку. По фазам генератора и нагрузки потечет переменный ток.
Сдвиг тока относительно ЭДС определяется характером нагрузки. При активной нагрузке ток в фазе совпадает с ЭДС, при активно-индуктивной – отстает от ЭДС, при активно-емкостной – опережает ЭДС.

Поперечная (а), продольная размагничивающая (б) и продольная намагничивающая (в) реакция якоря

При чисто активной нагрузке реакция якоря поперечная, потому что магнитные линии потока Фа в роторе перпендикулярны (идут поперек) магнитным линиям потока ротора

При чисто емкостной нагрузке реакция якоря продольная, подмагничивающая.

При чисто индуктивной нагрузке ток la отстает от ЭДС на 90°, и реакция якоря будет продольной, размагничивающей.

При протекании тока нагрузки по обмотке якоря создается вращающийся магнитный поток якоря Фа. Поток якоря Фа и поток возбуждения Ф0 вращаются с одинаковой частотой и создают, результирующий поток Фрез = Фа+Ф0. В результате ЭДС машины (Е = сЕФрез n), т. е. будет отличаться от ЭДС Е0 при холостом ходе.
Реакция якоря СГ

Угол θ - пространственный угол сдвига между осью результирующего магнитного поля и осью его полюсов
холостой ход
нагрузка

При увеличении нагрузки растет электромагнитная сила и угол пространственного смещения θ, но до некоторого предела, ограниченного мощностью приводного двигателя.

Синхронные генераторы предназначены для работы на сеть с коэффициентом мощности cosφ = 0,8. Более низкое значение коэффициента мощности в сети увеличивает реактивную составляющую тока нагрузки, что приводит к снижению напряжения на зажимах генератора, поэтому в этом случае необходимо увеличить ток возбуждения в обмотке ротора.

Уравнение ЭДС синхронного генератора
Напряжение на выводах СГ под нагрузкой снижается из-за: -реакции якоря,
-магнитного потока рассеяния,
-падения напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Перечислим влияние всех МДС:
1. Намагничивающая сила обмотки возбуждения ротора Ff создает основной магнитный поток Фf , который индуктирует в обмотке статора ЭДС генератора .
2. Ток статора создает ЭДС реакции якоря , пропорциональную индуктивному сопротивлению.

3.Магнитный поток рассеяния обмотки статора индуктирует в обмотке статора ЭДС рассеяния
4. Ток в обмотке статора I1 создает падение напряжения в активном сопротивлении фазной обмотке статора (не учитывают, т.к. влияние менее 1% )

Геометрическая сумма всех перечисленных выше величин дает напряжения на выводах СГ:
xc – полное синхронное сопротивление,
xа – главное индуктивное сопр. СГ

При нагрузке генератора Увеличивается пространственный угол θ' между осями полюсов ротора и результирующего магнитного потока статора.
Полюс ротора идет впереди полюса результирующего магнитного

При холостом ходе (без нагрузки) θ' = 0, при увеличении нагрузки растет электромагнитная сила FЭM, значит и угол θ', но до некоторого предела, после которого ротор выходит из синхронизма, поскольку не хватает мощности (момента) приводного двигателя

Схема для опытного определения характеристик синхронного генератора

Характеристика холостого хода синхр. генератора
ЭДС статора при n2=const
пропорциональна потоку
Отклонение хар-ки хол. хода
от линейного закона связано
с насыщения магн. цепи

Единая для всех СГ хар-ка холостого хода в относительных единицах:
E* 0,58 1 1,21 1,33 1,44 Ff 0,5 1 1,5 2 2,5

Внешняя характеристика СГ – зависимость напряжения U1 на выводах статорной обмотки от величины тока нагрузки I1

Вся внешняя характеристика
Рабочий
участок

При увеличении тока нагрузки:
для индуктивной нагрузке U1 падает из-за размагничивающего действия магнитного поля тока статора;
для емкостной – увеличивается из-за подмагничивающего.

Синхронные генераторы обычно рассчитываются для работы с номинальной R-L-нагрузкой при cosφ = 0,8.
Обычно

Регулировочная характеристика
U и f = const

Регулировочная характеристика определяет зависимость IВ = f(I1) и показывает, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его
напряжение оставалось неизменным
Вид регулировочных характеристик также объясняется характером действия реакции якоря

Электрическая мощность СГ
P = 3 I U cosφ,
Механическая мощность
генератору первичным двигателем
Pмех = ωр М,
Выражение для момента

Энергетическая диаграмма СГ

Для генератора:
Р1 – потребляемая с вала механическая мощность;
Р2 – отдаваемая в сеть электрическая мощность;
Рэм – электромагнитная мощность передается магнитным полем с ротора на статор.

Механические потери Рмех – трение: в подшипниках; о воздух; щеток о кольца
Магнитные потери в сердечнике статора Рм слагаются из потерь гистерезиса и вихревых токов.
Электрические потери Рэл – нагрев обмотки статора.
Потери на возбуждение Рв – нагрев обмотки ротора и в возбудителе.
Добавочные потери Рд – из-за пульсации поля, вследствие зубчатости статора и ротора, и поля рассеяния.

Механические + магнитные + потери в стали статора + потери на возбуждение = потери холостого хода