|
|
Синхронные машины |
|
|
|||
|
Синхронной машиной называют такую машину переменного тока, частота |
||||||
вращения которой в установившемся режиме равна синхронной n |
60f / pи |
||||||
не зависит от нагрузки. |
|
|
|
1 |
1 |
||
|
|
|
|
|
|||
Применение: синхронные генераторы – в качестве источников электрической |
|||||||
энергии переменного тока на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях |
|||||||
|
Синхронные двигатели – в установках не требующих регулирования |
||||||
скорости, при мощности 100 кВт и выше (насосы, вентиляторы, компрессоры |
|||||||
и т.д.), а также в схемах |
автоматики и электробытовых приборах (СД с |
||||||
постоянными магнитами, индукторные, гистерезисные, шаговые и т.д.). |
|||||||
A |
B |
C |
|
Статор |
синхронной |
машины |
выполнен |
|
|
|
|
также как асинхронной: в пазах сердечника |
|||
|
|
|
|
статора расположена трехфазная обмотка |
|||
|
|
|
|
Обмотка ротора питается от постороннего |
|||
|
N |
|
+ |
источника постоянного тока через контакт- |
|||
|
|
ные кольца и щетки и называется обмоткой |
|||||
|
|
|
|
возбуждения. |
|
|
|
|
|
|
|
Она создает в синхронной машине основной |
|||
|
S |
|
- |
магнитный поток Ф0 |
|
|
|
|
|
|
Существуют две конструкции ротора: |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
явнополюсная и неявнополюсная |
|||
Синхронные машины
При вращении ротора с частотой n1 поток Ф0 индуцирует в обмотках статора переменные ЭДС с частотой f1=p n1/60.
При подключении к обмотке статора нагрузки, в ней возникает ток, который создает вращающееся магнитное поле с частотой n1 =60f1/p.
Т.о. ротор вращается с такой же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому машину называют синхронной.
В синхронных машинах обмотку статора, в которой наводится ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря.
Часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, называется индуктором. В синхронных машинах индуктор – ротор.
Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с основным магнитным потоком Ф0 создает электромагнитный момент М, который
при работе синхронной машины генератором, является тормозящим моментом, а при работе двигателем вращающим.
Работа синхронного генератора при холостом ходе
C1 |
C2 |
C3 |
|
При х.х. ток статора |
I = 0 и магнитный поток |
|
|
V |
Е0 |
|
Ф0 создается только обмоткой возбуждения |
||
|
|
|
и направлен по оси |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полюсов ротора. |
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПД |
|
n1 |
+ |
|
А |
Iв |
|
|
S |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Е0 |
|
|
При вращении ротора поток Ф0 наводит в |
|
||||
|
|
|
||||
обмотке статора ЭДС |
E0 |
4,44 f1 w1kоб Ф0 . |
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
Характеристика холостого хода |
|
|
||||
E0 f ( Iв ). |
при I = 0 и n1=const. |
0 |
|
|||
|
|
|
|
|
Iв |
|
|
|
|
|
|
|
|
Реакция якоря синхронной машины
В машине, работающей под нагрузкой, т.е при токах статора I ≠ 0, магнитное поле создается не только МДС ротора, но и МДС токов статора
N
В
n1
+
S
+
+
Воздействие МДС якоря на магнитное поле ротора называют реакцией якоря.
В ненасыщенной машине в результате действия реакции якоря одна половина полюса размагничивается а другая – под- магничивается; кривая распределения маг-
нитной индукции В сдвигается навстречу направления вращения на угол , но
Ф остается
Внасыщенной машине размагничивающее действие реакции якоря под одной половиной полюса сказывается сильнее, чем подмагничивающее - под
другой половиной полюса. В результате снижается поток Ф, а, следовательно, и ЭДС, и электромагнитный момент.
При индуктивном характере тока нагрузки размагничивающее действие реакции якоря усиливается, а при достаточной емкостной нагрузке – реакция якоря оказывает подмагничивающее воздействие.
Внешняя характеристика синхронного генератора
Внешняя характеристика
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1 f ( I1). |
|
|
|
C1 |
C2 |
V |
|
C3 |
|
при I |
в |
= const, cos = const и n1=const. |
||||
|
|
U1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
А1 |
|
U1 |
|
|
|
|
|
cos 1<1 |
|
|
|
|
|
U1о |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
(RC) |
||
|
|
|
|
|
U1н |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 1=1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
А2 |
|
|
|
|
|
|
|
cos 1<1 |
|
|
|
Iв |
|
|
|
|
|
|
(RL) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
I1н |
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Относительное изменение напряжения |
U U1о U1н 100% |
|||||||||||
генератора при номинальном токе |
|
|
н |
|
U1н |
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||
называют номинальным изменением напряжения.
Регулировочная характеристика синхронного генератора
Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять (регулировать) ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальным.
Регулировочная характеристика: |
|
||
|
|
|
|
|
Iв f ( I1). |
при U1 = U1н = const, cos 1= const и n1=const. |
|
Iв |
cos 1<1 |
|
|
(RL) |
cos 1=1 |
||
|
|
|
|
cos 1<1
(RC)
0 |
I1 |
|
Электромагнитный момент синхронной машины
Электромагнитный момент Мэм синхронной машины создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с основным магнитным потоком ротора Ф0
где 1 |
Мэм Рэм 1 , |
- угловая синхронная скорость вращения |
|
|
1 2 n1 60 2 f1 p. |
Электромагнитная мощность неявнополюсной синхронной машины
Рэм m1 U1 E0 sin , xc
где xc – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора Для явнополюсного синхронного генератора
Рэм |
m U E |
0 |
sin |
m U2 |
|
1 |
|
1 |
)sin2 , |
1 1 |
1 1 |
( |
|
|
|
||||
xd |
|
2 |
xq |
xd |
|||||
|
|
|
|
|
|
где xd и xq – синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной оси
Электромагнитный момент синхронной машины
Электромагнитный момент неявнополюсной синхронной машины
Mэм Pэм m1 U1 E0 sin ,1 1 xc
Для явнополюсной синхронной машины
Мэм |
m U E |
0 |
sin |
m U2 |
1 |
|
1 |
)sin2 , |
|
1 1 |
1 1 |
( |
|
|
|
||||
1 xd |
|
|
xq |
xd |
|||||
|
|
|
2 1 |
|
|
||||
При увеличении нагрузки синхронного генератора растет ток I1 и
увеличивается угол , что ведет к изменению электромагнитной мощности Pэм и электромагнитного момента Mэм.
Зависимости Pэм=f ( ) и Mэм=f ( ) называются угловыми характеристиками синхронной машины.
Угловая характеристика синхронной машины
|
Mэм |
|
неявнополюсной |
|
|
Mmax |
|
синхронной машины |
|
|
Mн |
|
Генератор |
|
|
|
|
явнополюсной |
|
- |
- кр |
|
|
синхронной машины |
кр |
|
|||
|
н |
/2 |
|
|
|
|
Максимальное значение Mэм соответствует |
||
Двигатель |
|
критическому значению угла кр |
||
|
-Mmax |
При изменении нагрузки СМ, соответствующем |
||
|
углу 0 < < кр, машина работает устойчиво. |
|||
|
|
|||
При этом любой нагрузке соответствует равенство вращающего момента первичного двигателя M1 сумме противодействующих моментов, т.е.
M1 =Mэм +M0
В результате частота вращения остается неизменной, равной синхронной частоте n1.
Угловая характеристика синхронной машины
При нагрузке СМ, соответствующем углу > кр, электромагнитный
момент уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующего момента; частота вращения при этом увеличивается,
машина выходит из синхронизма. |
Mmax к |
Отношение максимального электромагнитного момента |
номинальному Mн называется перегрузочной способностью синхронной
машины Мmax
Мн
Работа синхронной машины в режиме двигателя
В режиме двигателя СМ потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию.
Электромагнитный момент Mэм при этом является движущим, а не
тормозящим, как в режиме генератора.
Угол между осью ротора и продольной осью магнитного поля
машины становится отрицательным < 0, т.е. полюсы ротора отстают от вращающего поля.
Однако частота вращения остается постоянной, равной синхронной частоте n1.
Работа синхронной машины в режиме двигателя
Если момент нагрузки на валу будет больше Mmax, то поддерживание
синхронной частоты вращения n1 будет невозможно, и двигатель выпадет из
синхронизма:
– скорость начнет падать, возникнут недопустимые колебания тока и вращающего момента, при этом двигатель необходимо отключить от сети.
Обычно при номинальной нагрузке угол н= (20-30)0, номинальный момент Mн 0,5Mmax
|
Механическая характеристика синхронного двигателя |
n |
является абсолютно жесткой |
|
n1
Частота вращения синхронного
двигателя не зависит от момента нагрузки и равна синхронной частоте n1.
0 |
Mн |
Mmax M |
|