7. Синхронные машины
7. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
7.1. Магнитное поле и электромагнитные
параметры обмотки возбуждения
Интенсивные электромагнитные поля, возбуждаемые в синхрон-
ных машинах, с достаточной степенью точности можно считать плоско-
параллельными, т. е. изменяющимися в пределах поперечного сечения
каждой зоны. Будем также считать, что поля распределены только внут-
ри активного объема машины, отсутствуя во внешнем пространстве, по-
скольку экранируются ферромагнитным корпусом машины.
Такие допущения позволяют рассматривать картины полей, созда-
ваемых отдельно обмотками возбуждения и якоря. Основное внимание
уделим картине распределения поля в зазоре, где концентрируется энергия
магнитного поля.
Обмотка возбуждения, расположенная на полюсах ротора, создает
основное магнитное поле, силовые линии которого замыкаются по полю-
сам, зубцовой зоне статора и на его ярме, как показано на рис. 7.1.
Важной характеристикой этого поля является распределение нор-
мальной составляющей магнитной индукции Вf вдоль воздушного зазора по
поверхности статора. Для того, чтобы индуцируемая ЭДС обмотки якоря
ττ		была	синусоидальной,				необходимо
		обеспечить гармоническое распреде-
		ление Вf вдоль зазора. Для приближе-
		ния	формы	магнитной				индукции
		к синусоидальной			в	явнополюсной
N		машине с сосредоточенной обмоткой
		ротора, создающей				прямоугольную
S	S	форму МДС, зазор между ротором
		и статором выполняют					неравномер-
		ным (рис. 7.2, а).			б показана реаль-
N			На рис. 7.2,
		ная картина распределения магнит-
		ной индукции в зазоре (кривая 1).
		При	разложении		в	гармонический
		ряд такой кривой кроме первой гар-
Рис. 7.1. Магнитное поле возбуждения		моники магнитной индукции в сер-
явнополюсной машины		дечнике циркулируют					ее	высшие
		гармоники,		которые			индуцируют
278

7. Синхронные машины

в обмотке якоря ЭДС высших гармоник. Эти гармоники сравнительно не велики. Распределением обмотки статора по пазам и сокращением ее шага добиваются уменьшения этих гармоник. Поэтому в дальнейшем будем учитывать только первую (основную) гармонику ЭДС якоря и соответственно считать потоком взаимной индукции между индуктором и якорем поток основной гармоники поля возбуждения (кривая 2 на рис. 7.2, б).

В неявнополюсной синхронной машине зазор между статором и ротором постоянный. Близкая к синусоидальной форма МДС Ff, а следовательно, и магнитной индукции Вf достигается применением распределенной обмотки возбуждения, укладываемой в радиальные пазы на поверхности ротора (рис. 7.3, а). Обычно пазы с обмоткой занимают от 0,65 до 0,8 наружной поверхности ротора.

Вследствие большого числа пазов ротора можно принять, что распределение индукции в воздушном зазоре вдоль окружности якоря приближается к трапеции, изображенной пунктирной линией на рис. 7.3, б.

Вследствие постоянства зазора δ неявнополюсных машин кривая индукции в зазоре Вf ~ 1/δ повторяет кривую МДС Ff и форма магнитного поля возбуждения в зазоре неявнополюсной машины мало отличается от синусоиды.

				δ	d
δm		δ	γτ/2		γτ/2
	bp	= ατ
					τ (π)
	τ
Bf	а		Bf		а

1
2	Bf m	Bf m1	Bf m 1
			Bf m

			х	х
	б			б
Рис. 7.2. Магнитное		поле обмотки		Рис. 7.3. Магнитное поле обмотки
возбуждения явнополюсной				возбуждения неявнополюсной
машины в воздушном зазоре				машины в воздушном зазоре

279

7. Синхронные машины

Отличие реального распределения Вf (х) от гармонического характеризуют отношением амплитуды основной гармоники поля возбуждения Вfm1 к действительному максимальному значению этого поля Вfm (рис. 7.3, б):

	k		=	Вfm1	,	(7.1)
		f		B fm

называемым коэффициентом формы поля возбуждения. Величина этого коэффициента определяется для явнополюсной машины конфигурацией воздушного зазора и зависит от отношений δm/δ и δ/τ и от коэффициента полюсной дуги

α =	bp	.	(7.2)
	τ

Для этих машин δm/δ = 1–2,5; α = 0,65–0,75 и kf =0,95–1,05. В неявно-

полюсных машинах коэффициент формы поля возбуждения определяют через отношение обмотанной части ротора ко всей окружности ротора γ

4 sin γπ

k f = π γπ2 . (7.3)

2

При γ = 0,65–0,8 коэффициент формы поля возбуждения соответст-

венно kf = 1,065–0,965.

Несинусоидальность кривой напряжения согласно стандарту на электрические машины (ГОСТ 183–74) оценивается коэффициентом искажения синусоидальности периодической кривой, представляющим собой отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд высших гармонических составляющих данной кривой к амплитуде ее основной гармонической. Для генераторов частотой 50 Гц при холостом ходе и номинальном напряжении этот коэффициент должен быть не более 5 % при мощности генератора свыше 100 кВ·А и не более 10 % при мощности от 10 до 100 кВ·А, то есть форма ЭДС и напряжения реальных синхронных генераторов практически синусоидальна.

7.2. Характеристика холостого хода

При холостом ходе (разомкнутой обмотке якоря) постоянный ток If в обмотке возбуждения создает МДС Ff и магнитный поток взаимоиндук-

280

7. Синхронные машины

ции Фf, неподвижный относительно полюсов и замыкающийся по магнитопроводам статора и ротора (рис. 7.1). Поток Фf направлен по оси полю-

сов d, называемой продольной осью.

Ротор приводят во вращение с частотой n приложенным к валу генератора внешним механическим вращающим моментом приводного двигателя (гидравлической или паровой турбиной, двигателем внутреннего сгорания и т. д.). Вращающийся вместе с ротором поток взаимоиндукции Фf индуцирует в фазах обмотки якоря ЭДС основной частоты (1.34).

Первая гармоническая этой ЭДС определяется по той же формуле, что и первая гармоническая ЭДС для асинхронной машины. Ее действующее значение

E0 = 4,44 f1wΦf kоб1,

(7.4)

где w – число последовательно соединенных витков фазы; kоб1 – обмоточный коэффициент обмотки якоря по основной (первой) гармонической потока возбуждения в зазоре.

Иногда ЭДС обмотки якоря обозначают индексом f, чтобы подчеркнуть, что ЭДС создана магнитным потоком возбуждения.

Как сказано выше, близкая к синусоидальной форма кривой индукции Bδf в зазоре достигается неравномерностью зазора в явнополюсных машинах и распределением обмотки возбуждения в неявнополюсных.

Снижение высших гармоник ЭДС за счет распределения обмотки статора и укорочения шага этой обмотки показано в п. 4.2 и 4.3. Преобразование энергии в машине осуществляется за счет основной (первой) гармонической поля в зазоре.

Зависимость напряжения холостого хода U или ЭДС E0 от тока воз-

буждения If называют характеристикой холостого хода (ХХХ).

Согласно

формуле

(7.4)

рас-

Е0

четная ХХХ

(рис. 7.4)

повторяет

1

в другом

масштабе

основную

ха-

Е0н а

c b

рактеристику

намагничивания

ма-

2

шины Фf = f (If) = φ (Ff), аналогичную

характеристике

намагничивания

трансформатора

или

асинхронной

машины. Учитывая особенности рас-

пределения потоков ротора и статора

в синхронной машине, для анализа и

If х

If

расчета

наряду

с

криволинейной

0

ХХХ применяют прямолинейные ха-

Рис. 7.4. Характеристика холостого

рактеристики холостого хода – нена-

хода синхронного генератора

сыщенную – 1 (рис. 7.4), проходящую

281

7. Синхронные машины

касательной к действительной ХХХ, и насыщенную – 2, которая проходит через точку b, соответствующую рассматриваемому режиму с ЭДС

Е0н = 0а.

Характеристику холостого хода удобно выразить в относительных единицах (о. е.), принимая в качестве базисных величин номинальное напряжение Uб = Uн и ток возбуждения If б = If х, обеспечивающий на холостом ходу напряжение якорной обмотки, равное номинальному. Величину в о. е. принято обозначать звездочкой. Величины на рис. 7.4 в о. е. равны

E*0 = E0 /Uн; I* f = If /If х.

Аналогично МДС обмотки возбуждения
F*f = Ff Ff б = wf I f wf I f б = I f .	(7.5)

Характеристики холостого хода в относительных единицах почти идентичны у всех синхронных генераторов независимо от их мощности и частоты вращения. Их называют нормальными характеристиками холостого хода (табл.7.1) и используют при практических расчетах.

Таблица 7.1

Нормальные характеристики холостого хода турбогенераторов (Т) и гидрогенераторов (Г)

I*f = F*f			0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5
U* = E*0		Т	0	0,58	1,0	1,21	1,33	1,4
		Г	0	0,53	1,0	1,23	1,30	–

Кроме указанных выше величин в относительных единицах, в теории установившихся и переходных процессов синхронных машин широко используют относительные единицы для сопротивлений, мощности, тока и напряжения якорной обмотки.

За базисную величину сопротивления принимают его значение при номинальных фазных напряжении и токе Uн, Iн:

Zн = Zб =Uн Iн .

(7.6)

Относительное значение комплексного сопротивления и его составляющих активного и реактивного:

Z	=	Z	,	r	=	r	,	х =	x	.	(7.7)
*		Zб		*		Zб		*	Zб

282