СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

1. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронные машины — это бесколлекторные
машины переменного тока.
По своему устройству могут быть явнополюсным
или неявнополюсным.
СМ отличаются синхронной частотой вращения
ротора (n2 = n1 = const) при любой нагрузке, а
также
возможностью
регулирования
коэффициента мощности.
СМ обратимы и могут работать как в режиме
генератора, так и в режиме двигателя.

2. Возбуждение СМ

Независимо от режима работы любая СМ
нуждается в процессе возбуждения – для
наведения в ней магнитного поля.
Основные способы возбуждения СМ:
- электромагнитное возбуждение
- бесконтактная система электромагнитного
возбуждения
- принцип самовозбуждения
- тиристорные возбудительные устройства
- возбуждение постоянными магнитами

3.

4.

5. Магнитное поле и характеристики СГ

Магнитная система явнополюсной СМ

6. Участки магнитной цепи явнополюсной СМ

7.

Магнитная система явнополюсной СМ представляет
собой разветвленную симметричную магнитную
систему, состоящую из 2р параллельных ветвей. Каждая
из ветвей представляет собой неразветвленную
магнитную цепь, содержащую одну пару полюсов.
Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной
цепи, проходит ряд участков: воздушный зазор δ,
зубцовый слой статора hz1, зубцовый слой ротора hz2,
полюс ротора hm, спинку статора L1 и спинку ротора
(обод) Lоб.
Сумма магнитных напряжений на всех перечисленных
участках магнитной цепи определяет МДС обмотки
возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. (А):
Fво = ∑ F = 2Fδ+ 2Fz1 +2Fz2 + 2Fm + Fc1 + Fоб,

8. Магнитное поле СМ

Трехфазная
обмотка
статора
создает
вращающуюся синхронно с ротором МДС,
максимальное значение которой
F1 = 0,45m1 I1 w1 kоб1 / p
Амплитуда основной гармоники индукции
магнитного поля статора по продольной оси
B1d1 больше основной гармоники индукции поля
по поперечной оси В1q1:
B1d1 = B1kd;
B1q1 = B1kq

9.

где В1 — амплитудное значение магнитной
индукции поля статора при равномерном зазоре;
kd и kq — коэффициенты формы поля статора
(якоря) по продольной и поперечной осям.
Значения kd и kq зависят от отношения
максимального и минимального воздушных
зазоров δmах/δ, от относительной величины
зазора δ/τ , а также от коэффициента полюсного
перекрытия αi

10.

11.

Обмотка возбуждения синхронной машины при
прохождении по ней тока Iв создает МДС на пару
полюсов (А):
Fв.н = Iв 2wк.в
Амплитуда основной гармоники этого поля Вв1
определяется коэффициентом формы поля
возбуждения
kf = Bв1/ Вв

12.

13. Реакция якоря СМ

14.

• Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на
МДС обмотки возбуждения называется
реакцией якоря.
• Влияние реакции якоря на работу синхронной
машины зависит от значения и характера
нагрузки.
• Синхронные генераторы, работают на
смешанную нагрузку (активно-индуктивную
или активно-емкостную).

15. Активная нагрузка ( ψ = 0).

• воздействие МДС статора (якоря) на МДС
возбуждения вызовет искажения
результирующего поля машины: магнитное
поле машины ослабляется под набегающим
краем полюса и усиливается под
сбегающим краем полюса.

16.

• Вследствие насыщения магнитной цепи
результирующее магнитное поле машины
несколько ослабляется.
• В итоге результирующий магнитный поток
машины ослабляется, т. е. магнитная
система несколько размагничивается.
• Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е1.

17. Индуктивная нагрузка ( ψ= 90°).

• действие МДС статора F1 ослабляет поле
машины.
• Реакция якоря в синхронном генераторе
при чисто индуктивной нагрузке оказывает
продольно-размагничивающее действие.
• Магнитное поле не искажается.

18. Емкостная нагрузка ( ψ = - 90°)

• Реакция якоря оказывает продольнонамагничивающее действие.
• Магнитное поле при этом не искажается.

19. Смешанная нагрузка.

• При смешанной нагрузке синхронного
генератора ток статора сдвинут по фазе
относительно ЭДС на угол ψ1, значения
которого находятся в пределах 0 < ψ1 < ± 90° .
• При активно-индуктивной нагрузке вектор
отстает от вектора на угол 0 < ψ1 < 90° .
Вектор F1 имеет 2 составляющие: продольную
составляющую МДС статора, F1d = F1 sin ψ1 и
поперечную составляющую МДС статора F1q =
F1 cos ψ1.

20.

21.

• В случае активно-емкостной:
поперечная составляющая МДС статора F1q,
представляющая собой МДС реакции якоря
по поперечной оси, пропорциональна
активной составляющей тока нагрузки
Iq = I1 cos ψ,
F1q = F1 cos ψ1 ,

22.

• продольная составляющая МДС статора
(якоря) F1d представляющая собой МДС
реакции якоря по продольной оси,
пропорциональна реактивной составляющей
тока нагрузки
Id = I1 sin ψ1 ,
F d = F1 sin ψ1

23.

При этом если реактивная составляющая тока
нагрузки отстает по фазе от ЭДС (нагрузка
активно-индуктивная), то МДС F1d
размагничивает генератор, если же реактивная
составляющая тока опережает по фазе ЭДС
(нагрузка активно-емкостная), то МДС F1d
подмагничивает генератор.

24.

Направление вектора F1d относительно
вектора определяется характером реакции
якоря, который при токе нагрузки ,
отстающем по фазе от ЭДС , является
размагничивающим, а при токе ,
опережающем по фазе ЭДС , —
подмагничивающим

25.

• МДС реакции якоря по продольной F1d и
поперечной F1q осям создают в
магнитопроводе синхронной машины
магнитные потоки реакции якоря.
Основные гармоники этих потоков:
• по продольной оси
Ф1d = F1d / Rмd = F1 sin ψ1/ Rмd
• по поперечной оси
Ф1q = F1q / Rмq = F1 cos ψ1/ Rмq

26.

• В неявнополюсной машине воздушный зазор
по периметру расточки статора равномерен, а
поэтому магнитные сопротивления по
продольной и поперечной осям равны (Rмd =
Rмq = Rм).
• Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с
обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС
реакции якоря:
• по продольной оси
E j I x j I x sin
1d
• по поперечной оси
d
1
a
a
E j I x j I x cos
1q
q
a
1
a
1
1

27.

• В явнополюсных синхронных машинах
магнитные сопротивления машины
потокам основной гармоники по
продольной и поперечной осям не
одинаковы (Rмq > Rмd):
Rмd = Rм / kd
Rмq = Rм / kq

28.

ЭДС реакции якоря явнополюсной
синхронной машины:
Е1d = - j xa kq = - j xad sin ψ1
Е1q= - j xaq kq = - j xaq cos ψ1.
где xad и xaq — индуктивные сопротивления
реакции якоря явнополюсной машины:
- по продольной оси
xad = xa kd ;
- по поперечной оси
xaq = xa kq.

29. Уравнения напряжений синхронного генератора  

Уравнения напряжений
синхронного генератора
Влияние магнитодвижущих сил на
работу явнополюсного
синхронного генератора.

30.

1. МДС обмотки возбуждения Fв0, создает
магнитный поток возбуждения Ф0, который,
сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней
основную ЭДС генератора Е0.
2. МДС реакции якоря по продольной оси F1d
создает магнитный поток Ф1d, который
наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря
E1d, значение которой пропорционально
индуктивному сопротивлению реакции якоря
по продольной оси хad .
Это сопротивление характеризует уровень
влияния реакции якоря по продольной оси на
работу синхронного генератора. При этом
индуктивное сопротивление x1d уменьшается.

31.

3. МДС реакции якоря по поперечной оси
F1q создает магнитный поток Ф1q, который
наводит в обмотке статора ЭДС Е1, значение
которой пропорционально индуктивному
сопротивлению реакции якоря по
поперечной оси xaq.
Сопротивление хaq не зависит от магнитного
насыщения машины, так как при
явнополюсном роторе поток Ф1q проходит в
основном по воздуху межполюсного
пространства.

32.

4. Магнитный поток рассеяния обмотки
статора Фσ1 наводит в обмотке статора ЭДС
рассеяния Еσ1, значение которой
пропорционально индуктивному
сопротивлению рассеяния фазы обмотки
статора х1 :
E jI x
1
1
1
5. Ток в обмотке статора I1 создает активное
падение напряжения в активном
сопротивлении фазы обмотки статора r1
U
а1
I 1 r1

33.

• Геометрическая сумма всех перечисленных
ЭДС, наведенных в обмотке статора,
определяет напряжение на выходе
синхронного генератора:
U1 E I 1 r1 E0 E1d E1q E 1 I 1 r1
U E E E E E
1
0
1d
1q
1
Выражения представляют собой уравнения
напряжений явнополюсного синхронного
генератора

34.

В неявнополюсных синхронных
генераторах реакция якоря характеризуется
полной МДС статора F1 без разделения ее
по осям, .
ЭДС статора в неявнополюсных машинах
Е1, равная индуктивному падению
напряжения в обмотке статора,
пропорциональна индуктивному
сопротивлению реакции якоря ха .
E1 j I 1 x a .

35.

Поток реакции якоря Ф1 и поток рассеяния
статора Фσ1 создаются одним током I1, поэтому
индуктивные сопротивления ха и х1 можно
рассматривать как суммарное индуктивное
сопротивление
хс = ха + х1,
представляющее
собой
синхронное
сопротивление неявнополюсной машины.
С учетом этого ЭДС реакции якоря Е1 и ЭДС
рассеяния Еσ1 следует рассматривать
E с E1 E 1 j I 1 xa ( j I 1 x1) j I 1 xc

36.

Уравнение напряжений неявнополюсного
синхронного генератора
U E I r E E I r
1
1
1
0
c
1
ИЛИ
U
1
E E0 Ec
1

37. Векторные диаграммы синхронного генератора

38. Электромагнитный момент синхронного генератора

39.

• Ток I1 создает магнитное поле, вращающееся
синхронно с ротором и создающее вместе с
полем ротора результирующее магнитное поле
синхронной машины. Ось этого результирующего
поля d'—d' не совпадает с продольной осью
полюсов ротора d – d: в синхронном генераторе
ось полюсов ротора d - d опережает ось
результирующего поля машины d’-d’ на угол θ

40.

• Между намагниченными полюсами ротора
и неявно выраженными полюсами
вращающегося поля статора возникают
силы магнитного притяжения FM. Вектор
этой силы на каждом полюсе ротора,
направленный под углом θ к оси полюса,
имеет две составляющие:
- нормальная составляющая, направленная
по оси полюсов
Fн FM cos
- тангенциальная составляющая,
направленная перпендикулярно оси
полюсов ротора.
F F sin
Т
M

41.

Совокупность тангенциальных
составляющих F1 на всех полюсах ротора
создает на роторе СГ ЭМ, направленный
встречно вращающемуся магнитному полю:
M FТ 2 p(D2 / 2) FM D2 p sin
где D2 — диаметр ротора

42.

ЭМ СМ является синусоидальной функцией
угла θ и может быть представлен
выражением
M M max sin
где Мmax — максимальное значение ЭМ
соответствующее значению угла θ = 900
• ЭМ М, возникающий на роторе генератора
направлен встречно вращающему моменту
приводного двигателя , т. е. он является
тормозящим моментом

43.

PЭМ М 1
где ω1— угловая частота вращения ротора
Р1 Р0 РЭМ
ЭМ СГ представляет собой электрическую
активную мощность, преобразованную из
части механической мощности приводного
двигателя:
РЭМ Р1 Р0

44.

• Активная мощность на выходе СГ , отдаваемой
генератором в сеть, т. е.
Р2 т1U 1 I1 cos 1 10
3
P2 PЭМ ( РЭ1 Рдоб )
P2 P1 P M1 1 P
• Если все слагаемые разделить на угловую
частоту , то получим уравнение моментов
М1 М 0 М

45. Синхронный двигатель

46.

47.

48. Синхронный компенсатор (СК)

• Синхронный компенсатор (СК)
представляет собой синхронную машину,
предназначенную для генерирования
реактивной мощности. Синхронный
компенсатор включают в электрическую
систему с целью повышения ее
коэффициента мощности.