Синхронные машины. Магнитные поля и векторные диаграммы. Характеристики и режимы работы

1. Синхронные машины

Магнитные поля и векторные диаграммы
Характеристики и режимы работы
СМ
1

2. Устройство и принцип действия синхронной машины

Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б)
n p
f1
частота ЭДС, Гц
60
n частота вращения ротора, об/мин
n1 f1 / p - частота вращения поля статора, об/мин
n n1
СМ
2

3. Устройство и принцип действия синхронной машины

Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным (а) и вращающимся
(б) якорем:
1 — якорь; 2 —обмотка якоря; 3 — полюсы индуктора; 4 — обмотка возбуждения
Роторы синхронных
неявнополюсной (а) и
явнополюсной (б) машин:
1 — сердечник ротора;
2 — обмотка возбуждения
СМ
3

4.

Явнополюсные
СМ
4

5.

СМ
5

6.

СМ
6

7.

СМ
7

8.

Неявнополюсные
СМ
8

9. Системы возбуждения синхронных машин

Требования к электромагнитному возбуждению
1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуждения в любых режимах
работы,
2) быстродействие (форсировка возбуждения), применяется для
поддержания устойчивой работы машины во время аварии или после её
ликвидации,
3) быстрое гашение магнитного поля , т.е. уменьшение магнитного поля до
нуля без значительного повышения напряжения на его обмотках,
необходимость в гашении поля возникает при отключении или аварии в
генераторе.
Электромашинная система возбуждения: в качестве источника
используется генератор постоянного тока (возбудитель).
Pв=(0,3÷3%)Рг
Ток возбуждения регулируется с помощью реостатов в цепи возбуждения
возбудителя, возбудитель приводится во вращение от вала генератора.
СМ
9

10. Системы возбуждения синхронных машин

Вентильная система возбуждения: рассчитываются на большие
мощности и являются более надежными.
1) С самовозбуждением – энергия возбуждения отбирается от обмотки якоря,
преобразуется в энергию постоянного тока и подается на обмотку
возбуждения.
2) Независимая система – энергия получается от специального возбудителя
(трехфазный синхронный генератор).
3) Бесщеточная система – якорь возбудителя располагается на валу
генератора и ток в обмотку возбуждения подаётся через выпрямительный
блок на валу генератора.
СМ
10

11. Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения

Магнитное поле обмотки возбуждения синхронной машины
Рис а) Неравномерный воздушный зазор
Рис б): кривая 1 – Реально достижимое распределение магнитной
индукции в воздушном зазоре;
кривая 2 – Первая гармоника магнитной индукции.
СМ
11

12.

Магнитное поле обмотки возбуждения
kf
B fm1
B fm
коэффициент формы поля
B fm1 - амплитуда первой гармонической индукции
B fm амплитуда действительного распределения
kф
Ф
коэффициент потока возбуждения
Фf
Ф поток, созданный обмоткой возбуждения в воздушном зазоре
Ф f поток первой гармонической этого поля
bp
m
; ; )
m воздушный зазор под краем полюса, воздуш ный зазор под центром полюса
k f , kф f (
полюсное деление, bp полюсная дуга, относительная полюсная дуга
m
1 2,5 0,65 0,75
k f 0,95 1,15, kф 0,92...1,08
СМ
12

13.

Магнитное поле обмотки возбуждения
Рис а) Неявнополюсный ротор
Рис б): Реально достижимое распределение магнитной индукции в
воздушном зазоре и Первая гармоника магнитной индукции.
0,65...0,80
k f 1,065...0,965, kф 0,995...0,975.
СМ
13

14. ЭДС обмотки якоря от поля возбуждения

М.д.с. ОВ на один полюс,
Ff
wf if
2p
w f число витков обмотки возбуждения
i f ток обмотки возбуждения
Амплитуда основной гармоники поля B fm1 k f B fm F f k f
0
k k
0
wf k f
k k 2 p
магнитная проводимость воздушного зазора,
k коэффициен воздушного зазора (учитывает неравномерность
воздушного зазора, возникающую врезультате зубчатости сердечников)
k коэффициент насыщения магнитной цепи
0 l w f k f
Поток основной гармоники поля ОВ Ф f 1 B fm1 l
if
k k p
2
СМ
14
if

15.

ЭДС обмотки якоря от поля возбуждения
Потокосцепление потока Ф f 1 с обмоткой якоря при совпадении оси
фазы с осью полюсов машины
fad w1kобФ f 1
w1 число витков обмотки якоря
kоб обмоточный коэффициент обмотки якоря
Потокосцепление ОЯ с ОВ с учетом вращения ротора
fadt fad cos 1t M fad i f cos 1t ,
где M fad
fad
if
- взаимная индуктивность ОЯ с ОВ
Э.д.с. обмотки якоря
e
d fadt
dt
1M fad i f sin 1t
СМ
15

16. Сопротивление взаимной индуктивности

Амплитуда и действующее значение ЭДС
Em 1M fad i f x fad i f
Em x fad
if ,
E
2
2
где x fad 1M fad сопротивление взаимной индукции ОВ с ОЯ
1 2 f1 угловая электрическая скорость вращения ротора
M fad
x fad
1
2E
1i f
СМ
16

17.

Характеристика холостого хода E=f(if) и зависимость взаимной индуктивности
обмоток возбуждения и якоря от насыщения
M fad f ( E )
E
E
E ЭДС без учета насыщения магнитной цепи
k
Е ЭДС с учетом насыщения
M fad
M fad
k
;
x fad
x fad
k
СМ
17

18. Магнитное поле обмотки якоря

При протекании по обмотке якоря синхронной машины тока она создает
собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря.
Характер реакции якоря определяется углом сдвига между током
якоря и ЭДС в обмотке якоря.
а) – Поперечная реакция якоря.
б) – Продольная размагничивающая реакция якоря.
с) – Продольная намагничивающая реакция якоря.
СМ
18

19. Разложение тока якоря на продольную и поперечную составляющую (метод двух реакций)

I Iq Id
Продольный ток
I d I sin
Продольная реакция якоря
m 2 w1kоб1
Id
p
Поперечный ток
Fad Fa sin
I q I cos
Поперечная реакция якоря
Faq Fa cos
СМ
m 2 w1kоб1
Iq
p
19

20. Магнитные поля продольной и поперечной реакции якоря

1.- МДС реакции якоря.
2.- Магнитная индукция
реакции якоря при
равномерном зазоре.
3.-Действительные
кривые индукции
реакции якоря.
4.- Первые гармоники
поля реакции якоря.
Кривые поля реакции якоря явнополюсной синхронной машины
по продольной (а) и поперечной (б) осям
Магнитная индукция реакции якоря при равномерном зазоре
Badm
0
k k
Baqm
Fad ;
0
k k
Faq
Неравномерность зазора уменьшает основные гармоники реакции якоря
kad
Badm1
1;
Badm
kaq
Baqm1
Baqm
1; kaq kad
СМ
20

21. Э.Д.С. продольной и поперечной реакции якоря

Коэффициенты формы поля
реакции якоря
kad и kaq
max b p
f(
;
; )
min min
Потоки реакции якоря
Фad
Фaq
2
2
Badm1 l
Baqm1 l
2
2
kad Badm l
kaq Baqm l
ЭДС реакции якоря
Ead 2 f1w1kоб1Фad
Eaq 2 f1w1kоб1Фaq
СМ
21

22.

Векторная диаграмма потоков и э.д.с.
реакции якоря синхронной машины
0
90 смешанная
активно-индуктивная нагрузка
Ф Ф f Фad Фaq
E E Ead Eaq
СМ
22

23. Параметры обмотки якоря синхронных машин

m 2 w1kоб1
0
I d Badm
F
p
k k ad
2
Фad kad Badm l Ead 2 f1w1kоб1Фad
Fad
Ead xad I d
аналогично
Eaq xaq I q
Индуктивные сопротивления продольной и поперечной реакции якоря
0 l ( w1kоб1 )2
kad
xad 4mf1
k
k
p
d
0 l ( w1kоб1 )2
kaq
xaq 4mf1 k k
p
q
Для неявнополюсной СМ: kad kaq 1 и
Для явнополюсной СМ: kad
kaq
и
xad
xad xaq
xaq
Продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления
обмотки якоря
Ed Ead E ad xd I d
Eq Eaq E aq xq I q
xd xad x ad
xq xaq x aq СМ
23

24. Векторные диаграммы синхронных машин

Диаграмма Блонделя
Явнополюсная машина
U E0 Ead Eaq E a Ira
U E0 jxad I d jxaq I q jx a I ra I
I I d I q
Векторная диаграмма явнополюсного
генератора при активно-индуктивной нагрузке
0, 0, Id 0, реакция якоря размагничивающая
- угол нагрузки,
угол между векторами ЭДС и напряжения
СМ
24

25.

Векторная диаграмма явнополюсного
генератора при активно-емкостной нагрузке
0, 0, Id 0, реакция якоря намагничивающая
СМ
25

26.

Учитывая что
xd xad x ad
xq xaq x aq
U E0 jxd I d jxq I q ra I
СМ
26

27.

Неявнополюсная машина
xad xaq , xd xq
СМ
27

28. Диаграмма Потье (с учетом насыщения)

Диаграмма Потье используется для определения тока возбуждения синхронной
машины, требуемого для обеспечения заданного режима работы
U , I ,cos заданы , F F
в
Fa , E U I ra jx
Построение диаграммы неявнополюсного генератора с учетом насыщения:
а – векторная диаграмма;
б – характеристика холостого хода
СМ
28

29.

Диаграмма неявнополюсного генератора,
совмещенная с характеристикой холостого хода
СМ
29

30. Характеристики синхронных генераторов

Характеристика холостого хода
U f (iв )
I1 0
f fН
U 4, 44 fw1kобФ
F
Ф
R
Опыт холостого хода синхронного генератора:
а – схема опыта;
б – нормальная характеристика
холостого хода.
СМ
30

31.

Характеристика короткого замыкания
I к f ( I в ) при n const
г)
в)
a
а – схема опыта;
б – характеристика короткого замыкания;
в – схема замещения;
г – векторная диаграмма.
E E xad I x a I
E xd I
В режиме короткого замыкания реакция якоря чисто размагничивающая (raмало), поток машины мал, следовательно, магнитная цепь ненасыщенна и
характеристика короткого замыкания линейна.
СМ
31

32. Опытное определение xd

Ненасыщенное значение xd
E
xd
I
Насыщенное значение xd
xd
E
E
x
d
I k d I k d
E
E
E ЭДС без учета насыщения
k
Характеристики холостого хода (кривая 1)
и короткого замыкания (кривая 2)
синхронного генератора
Спрямленная характеристика ХХ (кривая 3)
Изменение синхронного индуктивного
Сопротивления по оси d (кривая 4)
СМ
магнитной цепи
Е ЭДС с учетом насыщения
32

33. Опытное определение отношения короткого замыкания (о.к.з.)

I
kOКЗ KO
IН
I KO
UН
xd
xd - насыщенное продольное синхронное
сопротивление при Е U Н
kOКЗ
k d
UН
1
* * ;
xd I Н xd xd
Исходя из подобия ОАА и ОВВ kOКЗ =
kОКЗ 0,8 1,8 гидрогенераторы
kОКЗ 0, 4 1,0 турбогенераторы
ОКЗ – отношение установившегося тока короткого замыкания Iко при токе
возбуждения, который при ХХ и n=nн дает Е=UH к току номинальному Iн.
СМ
33
If0
I fк

34. Нагрузочные характеристики

при I const, f const,
U f If
cos const
Нагрузочная характеристика при cos 0 называется индукционной (кривая 5)
Нагрузочные характеристики
синхронного генератора
СМ
34

35. Реактивный треугольник

1 – характеристика холостого хода
2 – индукционная нагрузочная характеристика
СВА - реактивный треугольник
СВ x a I - падение напряжения в сопротивлении рассеяния якоря
СА Fa - м.д.с. реакции якоря
С В
xр
- индуктивное сопротивление Потье
Iн
x р 1,1 1,3 x a - явнополюсные
x р 1,05 1,1 x a - неявнополюсные
СМ
35

36. Внешние характеристики

U f I при i f const , n const , cos const.
Внешние характеристики
синхронного генератора для U=UH при I=0
Внешние характеристики
синхронных генераторов для U=UH при I=IH
U H % 25 35 %
СМ
36

37. Регулировочные характеристики

i f f I при U const , n const , cos const.
СМ
37

38. Параллельная работа синхронных машин

Особенности параллельной работы СГ
Метод точной синхронизации
Условия включения на параллельную
работу
В энергосистеме параллельно работают
несколько сотен машин, следовательно 1. Равенство напряжений СГ и сети