Синхронные машины презентация

Содержание

Синхронные машины. Сл. 01 Литература: 1. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. В 2-х ч. Ч.1.: Учебное пособие для электротехн. спец. вузов – 2-е изд. – М.: Высш. шк.

Слайд 1Синхронные машины. Сл. 0
Апухтин А.С.
Электрические машины. Синхронные машины: Конспект лекций для

студентов направления подготовки: 6.050701 “Электротехника и электротехнологии”. Донецк: ДонНТУ, 2011. – 250 с.
Конспект лекций по синхронным машинам является частью готовящегося учебного пособия по электрическим машинам. В разделе рассматриваются теория, принцип действия, устройство и анализ работы синхронных машин как общего, так и специального назначения, получивших распространение в различных отраслях техники.

Слайд 2Синхронные машины. Сл. 01
Литература:
1. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. В 2-х

ч. Ч.1.: Учебное пособие для электротехн. спец. вузов – 2-е изд. – М.: Высш. шк. 1987 – 319с.
2. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. В 2-х ч. Ч.2.: Учебное пособие для электротехн. спец. вузов – 2-е изд. – М.: Высш. шк. 1987 – 335с.
3. Копылов И.П. Электрические машины : Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Высшая шк.; Логос; 2000. – 607 с.
4. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Cинхронные машины. Учебное пособие для вузов по спец. “Электромеханика”/ Под ред. И.П. Копылова. - М.: Высш шк., 1990. -304 с.
5. Дудник М.З. Електричні машини: в 2-х ч. Навчальний посібник.– Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002.–212 с.
6. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебное пособие для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1990.
7. Читечян В.И. Электрические машины. Сборник задач. 1988 – 231 с.
8. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общ. Ред. И.П.Копылова и Б.К.Клокова. Т.1. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 456 с.
9. Кацман М.М. Электрические машины. Учеб. для учащихся электротехн. спец. техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Высш. шк., 1990. – 463 с.

Слайд 3СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.1

Слайд 4СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.2

Слайд 5СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.3














Конструкция роторов синхронных машин:
а – ротор с

явно выраженными полюсами; б – ротор с неявно выраженными полюсами

Слайд 7















Чередование полюсов на роторе
синхронной машины

(СМ)

Устройство явнополюсного
ротора синхронной
машины (СМ)

Слайд 8СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 6
















Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8

кВ, 125 об/мин):
1 – корпус статора; 2 – сердечник статора; 3 – полюс ротора; 4 – обод ротора; 5 грузонесущая крестовина

Слайд 9СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 7












Турбогенератор:
1 – возбудитель; 2 – корпус;

3 – сердечник статора; 4 – секции водородного охлаждения; 5 – ротор

Слайд 10СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 8
















Синхронный генератор (дизель-генератор):
1 – контактные кольца;

2 – щеткодержатели; полюсная катушка ротора;

Слайд 11СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 9

















Устройство синхронного двигателя серии СДН2

Слайд 12СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 10














Полюс синхронного двигателя

Слайд 13СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 11
Принцип действия
а) генератор

Слайд 14СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.12













Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного

возбуждения синхронных генераторов

Слайд 15СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.13











Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

Слайд 16СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.14











Магнитная система явнополюсной синхронной машины

Слайд 17СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.15












Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной машины

Слайд 18СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.16
Реакция якоря синхронного генератора
а)
Zнг=Rнг

Слайд 19СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.17
Реакция якоря при активной нагрузке

Слайд 20СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.18
Реакция якоря при индуктивной нагрузке

Слайд 21СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.19
Реакция якоря при емкостной нагрузке

Слайд 22СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 20
Реакция якоря при активно-индуктивной нагрузке


Слайд 23СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл. 21




Слайд 24СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Конструкция. сл.22
б) ДВИГАТЕЛЬ

Слайд 25Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 23
Расчет магнитной цепи электрических машин

Машина

постоянная:


где – диаметр якоря машины постоянного тока или внутренний диаметр статора машины переменного тока, м;
– длина воздушного зазора, м;
– частота вращения, об/мин;
– расчетная мощность, Вт;
– коэффициент, учитывающий полюсное перекрытие , обмоточный коэффициент и коэффициент формы поля





Слайд 26Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 24


где:

– магнитное напряжение воздушного зазора;
– магнитное напряжение зубцов статора;
– магнитное напряжение ярма статора;
– магнитное напряжение ярма ротора;
– магнитное напряжение полюсов.
Магнитное напряжение воздушного зазора:




Слайд 27Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 25
– магнитный поток в

воздушном зазоре;
– коэффициент воздушного зазора, учитывающий зубчатость статора и ротора;



– зубцовое деление статора;




– ширина открытого паза статора;




Слайд 28Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 26




– зубцовое деление демпферной обмотки на роторе СМ;
– раскрытие паза демпферной обмотки.
Магнитное напряжение зубцов:


– высота зубца.
Магнитное напряжение в ярме статора


– коэффициент, учитывающий неравномерность распределения индукции в ярме статора.



Слайд 29Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 27
Магнитное напряжение в ярме ротора


– коэффициент, учитывающий уменьшение длины средней силовой (магнитной) линии в ярме ротора,



Слайд 30Расчет магнитной цепи электрических машин. Сл. 28

Слайд 31СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 29
1. Основное

уравнение и основная векторная диаграмма СГ


Слайд 32СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.30

Слайд 33СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.31
Задаемся

Слайд 34СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.32
2. Преобразованное уравнение

и преобразованная векторная диаграмма СГ


Слайд 35СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл.33

Слайд 36СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 34
3. Упрощенное

уравнение и упрощенная векторная диаграмма для неявнополюсного синхронного генератора



Слайд 37СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 35

Слайд 38СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 36
Режимы работы

синхронной машины:
1) генератор,
2) двигатель, - меняет знак

Слайд 39СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора. сл. 37














Векторные диаграммы

явнополюсного ( а и б) и неявнополюсного ( в и г) генераторов

Слайд 40СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 38

1.

Нагрузочные характеристики;
2. Внешние характеристики;
3. Регулировочные характеристики;
4. Характеристика КПД;


Слайд 41СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 39

Слайд 42СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 40














График характеристики холостого хода СГ

Слайд 43СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 41
Индукционная нагрузочная характеристика СГ

Слайд 44СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 42
Внешние характеристики:

, при iв=const;
cosφ=const.




Слайд 45СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 43


















Внешние характеристики СГ

Слайд 46СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 44
Внешние характеристики СГ

Слайд 47СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 45
Регулировочные характеристики:
при



Слайд 48СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 46












Внешние (а) и регулировочные

(б) характеристики синхронного генератора

Слайд 49СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 47
Характеристики короткого замыкания:
при















Опыт короткого замыкания

синхронного генератора


Слайд 50СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 48
Характеристики короткого замыкания

Слайд 51СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 49














Определение составляющих тока КЗ

Слайд 52СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 50
Потери и КПД синхронного генератора
Сумма потерь:


где:

– потери в обмотках;
– потери в стали;
– потери механические;
– потери добавочные.



Слайд 53СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 51
График зависимости КПД от нагрузки

Слайд 54СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Характеристики синхронного генератора. сл. 52
Рабочие характеристики:




Слайд 55СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 53

1. Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.
2. Продольное и поперечное поле якоря. Теория двух реакций.
3. Коэффициент формы и коэффициент приведения МДС якоря к МДС возбуждения.

Слайд 56СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 54

Слайд 57СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 55

Слайд 58СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 56

Слайд 59СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 57















Картина распределения МДС для явнополюсного ротора (а) и для неявнополюсного ротора (б)

Слайд 60СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл.58












Магнитные поля возбуждения неявнополюсной (а) и
явнополюсной (б) синхронных машин

Действительное распределение МДС в неявнополюсной машине из-за зубчатости ступенчатое. Считают, что ротор гладкий и МДС и индукция распределяются по закону прямолинейной трапеции.

Слайд 61СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 59

Картина распределения МДС статора – синусоида. Если ротор неявнополюсный (круглый), то магнитное сопротивление во всех точках воздушного зазора будет одинаковым и магнитный поток тоже распределяется по синусоидальному закону.

Слайд 62СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 60

А если СМ явнополюсная? В межполюсном пространстве магнитное сопротивление большое. Берем МДС , делим на большое магнитное сопротивление и получаем маленький магнитный поток. При разном положении ротора каждый раз будет новая кривая результирующего потока.

Французский инженер Блондель предложил рассматривать только два положения:
1. Когда ось полюса ротора и максимум синусоиды МДС статора совпадают.
2. Когда амплитуда МДС статора совпадает с осью межполюсного пространства.

Слайд 63СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 61

Слайд 64СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 62

Магнитные поля статора синхронной явнополюсной машины по продольной (а) и поперечной (б) осям

Слайд 65СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 63

В явнополюсной машине МДС синусоидальна, а магнитный поток далеко несинусоидальный! Этот поток придется разлагать в ряд Фурье и определять – какая часть МДС идет на создание 1-й гармоники потока.

Таким образом, имеются 5 форм распределения магнитного потока (прямоугольники, трапеции, синусоида, «бугры» и «гаечный ключ». Как их сравнивать? Пришел на помощь Фурье. Надо разложить каждую кривую в ряд Фурье и выделить 1-ю гармонику и сравнивать только первые гармоники. Уже есть формулы разложения и нам остается только воспользоваться готовыми результатами.

Слайд 66СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 64

Неявнополюсная машина



где:

где:

где: - амплитуда исходной кривой;
- коэффициент разложения.
Эти коэффициенты в математике называются коэффициентами Фурье, в ТОЭ – коэффициентами разложения кривой на составляющие, в ЭМ – коэффициентами формы кривой разложения.
Теперь займемся кривой МДС возбуждения.

Слайд 67СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

Сл. 65


Явн. 1.


Неявн. 2.

Слайд 68СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 66

где:

Итак, мы познакомились с пятью коэффициентами разложения (коэффициентами формы):

Итак, есть

Все синусоиды и их можно сравнивать и теперь можно приступить к приведению. Традиционно считают, что надо привести к МДС возбуждения! Известна , ее приравниваем к какой-то эквивалентной кривой возбуждения.

Слайд 69СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 67


- коэффициент приведения.

Слайд 70СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Магнитное поле машины при холостом ходе и при нагрузке.

сл. 68


- это уже не синусоиды, а реальные кривые (прямоугольники, трапеции…) и коэффициенты приведения превратили, например «бугры» в прямоугольники.

Слайд 71СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 69
Параметры СМ
1. Определение ненасыщенного

и насыщенного;
2. Треугольник Потье, сопротивление и его определение;
3. Сопротивления , , ;
4. Сопротивления ;
5. ОКЗ, его значение и определение.

Характеристика трехфазного короткого замыкания СГ:


Так как активное сопротивление обмотки якоря относительно очень мало, то замкнутая накоротко синхронная машина представляет собой практически чисто индуктивное сопротивление. Поэтому ток КЗ отстает от ЭДС на угол

Слайд 72СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 70


Следовательно, этот ток

создает только продольную размагничивающую реакцию якоря которой соответствует продольный размагничивающий поток реакции якоря и
создаваемая им ЭДС

Слайд 73СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 71
Кроме того, существует еще поток рассеяния

и создаваемая им ЭДС рассеяния


Следовательно, диаграмма ЭДС для случая короткого замыкания синхронного генератора приобретает вид, показанный на рисунке. Поток носит фиктивный характер, так как в одном сердечнике не могут существовать два встречно направленных потока и Поток составляющий примерно 10 – 15 % от считается реально существующим.
Поэтому магнитная цепь синхронного генератора в режиме КЗ практически не насыщена, и характеристика КЗ имеет вид прямой, проходящей через начало координат.

Слайд 74СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 72
Определение ненасыщенного значения
Из последней векторной диаграммы следует,

что:


откуда


Так как при КЗ синхронная машина не насыщена, то для определения следует пользоваться либо начальной (ненасыщенной) частью ХХХ, представленной участком ОD, либо – при больших токах КЗ – спрямленной частью ХХХ – прерывистой линией ОВ. Для тока возбуждения ЭДС
(а не ).
Тогда:

Слайд 75СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 73













К определению

и

Слайд 76СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 74
Отношение короткого замыкания
Последняя векторная диаграмма построена в

относительных единицах, поэтому




Следовательно:




где - постоянная (при );

- отношение короткого замыкания (ОКЗ).

Слайд 77СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 75
Обычно отношение короткого замыкания выражают через отношение

токов возбуждения (а не токов якоря). Действительно
для
Из подобия треугольников OKH и OML:

Слайд 78СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 76
Определение насыщенного значения
При нагрузке сталь машины насыщена

и, следовательно, ее магнитная проницаемость меньше, чем при коротком замыкании. Поэтому насыщенное значение сопротивления при нагрузке меньше, чем ненасыщенное его значение, полученное из опыта короткого замыкания. При этом
а
т.е. переменная величина, зависящая от степени насыщения стали.
Для определения снимают характеристику ХХ 1 и нагрузочную индуктивную 2.
На нагрузочной характеристике взята точка С, для которой напряжение и ток возбуждения - ЭДС, соответствующая этому току, находится по характеристике ХХ и определяется отрезком АВ. Тогда:

Слайд 79СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 77










К определению

Слайд 80СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 78
откуда:



Определение индуктивного сопротивления рассеяния

Если известно

, можно построить характеристический треугольник. По характеристике КЗ (2) находят ток возбуждения
которому соответствует ток короткого замыкания, равный номинальному Ток возбуждения состоит из двух составляющих:
- ток возбуждения, необходимый для компенсации размагничивающего действия реакции якоря;
- ток возбуждения, соответствующий ЭДС рассеяния
наводимой потоком рассеяния в обмотке якоря.


Слайд 81СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 79










К определению

Слайд 82СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параметры СМ. Сл. 80
ЭДС рассеяния заменяем через
На рисунке эта ЭДС

и составляющие тока возбуждения
выражаются через соответствующие отрезки:


Если неизвестно, то для его определения на нагрузочной характеристике (3) берут точку А1 , соответствующую
и проводят горизонталь. Затем влево от точки А1 откладывают отрезок Через точку О1 проводят прямую, параллельную начальной части ХХХ, до пересечения с ХХХ в точке Опускают перпендикуляр на и отмечают точку Можно утверждать, что


тогда:

Слайд 83СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 81
Практическая диаграмма

ЭДС часто используется на электромашиностроительных заводах. Ее основное отличие от ранее приведенных диаграмм состоит в том, что в ней берутся не фиктивные индуктивные сопротивления, эквивалентные действию якоря, а непосредственно намагничивающая магнитодвижущая сила якоря , что делает возможным учет изменяющегося насыщения стали. Но при этом МДС не разлагают на продольную и поперечную составляющие и, следовательно, не учитывают разницы между неявно и явнополюсным типом генераторов.
Для построения практической диаграммы необходимо снять (или рассчитать): XXX 1, XКЗ 2 (трехфазного) и, кроме того, определить активное сопротивление якоря и индуктивное сопротивление рассеяния (по характеристическому треугольнику). В машинах большой мощности сопротивлением пренебрегают.

Слайд 84СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 82
Изменение

напряжения определяется в предположении, что генератор работает при номинальном напряжении , номинальном токе , номинальном коэффициенте мощности и номинальной частоте и что после сброса нагрузки ток возбуждения и частота вращения не изменяются.
Построение диаграммы начинается с того, что вектор напряжения совмещается с положительным направлением оси ординат . Под углом к вектору располагается вектор тока . От конца вектора напряжения (от точки А) откладывается вектор . Геометрическая сумма векторов и представляет собой вектор ЭДС . Угол между вектором ЭДС и вектором напряжения – угол . Из центра О радиусом ОВ проводится дуга до пересечения с осью ординат в точке «в». Затем точка «в» сносится по горизонтали в точку С на ХХХ. Из точки С опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и получаем точку D.

Слайд 85СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 83
Практическая

диаграмма
ЭДС

Слайд 86Практическая диаграмма ЭДС

Слайд 87СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 85
Отрезок

ОD определяет собой ток возбуждения , необходимый для создания ЭДС .
Учет реакции якоря производится следующим образом. На характеристике короткого замыкания откладывается значение номинального тока, для чего вектор тока поворачивается вокруг центра О до совмещения с осью ординат, а затем конец повернутого вектора тока сносится на ХКЗ в точку F. Из точки F опускаем перпендикуляр на ось абсцисс в точку G. Таким образом . Ток возбуждения состоит из двух составляющих:

1) Ток возбуждения , необходимый для создания ЭДС
, находится по ХХХ, если на ней отложим , тогда ток возбуждения

2) Вторая составляющая – отрезок LG определяет собой ток , соответствующий реакции якоря.

Слайд 88СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 86
Чтобы

получить полный ток возбуждения, нужно геометрически сложить отрезки и , при этом отрезок проводится под углом к отрезку CD, так чтобы угол между ЭДС и током остался без изменения (отрезок CD равен по величине , но повернут на угол ). Радиусом OM проводится дуга до пересечения с осью абсцисс в точке N, тогда . При сбросе нагрузки этот ток возбуждения создает ЭДС .
При построение диаграммы ЭМДС преследуются две цели:
1. Определение тока возбуждения, который при заданном токе нагрузки и заданном обеспечит заданное напряжение.
2. Определение при сбросе нагрузки.
Основные этапы построения диаграммы Потье:
1) Определение и угла ;
2) Определение и угла ;
3) Определение ;
4) Определение ;
5) Определение .

Слайд 89СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 87
Определение

ΔU для неявнополюсного генератора

Слайд 90СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 88















Практическая

диаграмма ЭДС

Слайд 91СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 89














Определение


Слайд 92СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Практическая диаграмма ЭМДС (диаграмма Потье) синхронного генератора. сл. 90
Векторные

диаграммы ЭДС.
Достоинства:
1) Простота построения;
2) Учет конструкции машины.
Недостатки:
1) Не учитывается реальное магнитное состояние машины;
2) Значительные погрешности при их использовании для построения характеристик.
Практические диаграммы ЭМДС.
Достоинства:
1) Учет реального магнитного состояния машины;
2) Возможность использования для построения характеристик.
Недостатки:
1) Сложность построения;
2) Не учитывается конструкция машины.

Слайд 93СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 91
Для генератора: тормозной.
Для двигателя: вращающий.

Слайд 94СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 92













К понятию об электромагнитном моменте

синхронного генератора

Слайд 95СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 93
Преобразованная векторная диаграмма СГ

Слайд 96СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 94
При



Из преобразованной векторной диаграммы

генератора:









Слайд 97СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Электромагнитный момент cинхронной машины. сл. 95

Слайд 98СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 96

1) Необходимость и целесообразность параллельной

работы;
2) Условия включения генераторов на сеть;
3) Способы синхронизации. Точная синхронизация;
4) Способ самосинхронизации (грубая синхронизация);
5) Операции при работе генератора на сеть.

Слайд 99СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 97
На каждой электростанции установлено несколько

СГ, включенных на параллельную работу. В энергосистемах станции работают параллельно. Этим достигается большая надежность электроснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера и другие выгоды.
Все СГ должны отдавать ток одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться строго в такт, т.е. синхронно, скорости вращения должны быть обратно пропорциональны числам пар полюсов:



В частности, скорости вращения СГ с одинаковыми числами полюсов должны быть в точности одинаковыми.




Слайд 100СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 98
При включении генераторов на параллельную

работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.
Если генератор включается в сеть мощной энергосистемы, то сопротивление этой сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превышать ток при обычном коротком замыкании в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза.

Слайд 101СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл.99

Зарегистрировано немало случаев, когда неправильное включение

вызывало серьезные повреждения оборудования (повреждение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полюсов, поломка вала, разрушение всего генератора).
Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы на холостом ходу перед включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора.

Слайд 102СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 100











Включение синхронных генераторов на параллельную

работу: Г1 – Г4 – синхронные генераторы; ПД1 – ПД 4 – приводные двигатели

Слайд 103СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 101
Условия включения генератора на сеть:


1.

2.
3.


Слайд 104СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 102
Схема подключения генератора к сети

Слайд 105СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 103
Звезда фазных ЭДС генератора и

сети

Слайд 106СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл. 104














Ламповый синхроноскоп

Слайд 107СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Параллельная работа cинхронных генераторов. сл.105
Два способа точной синхронизации СГ

Слайд 108СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл.106
Нагрузка генератора,
включенного на параллельную работу
Будем

считать, что синхронный генератор подключают на параллельную работу с другими генераторами, суммарная мощность которых настолько велика по сравнению с мощностью подключаемого генератора, что при любых изменениях параметров этого генератора напряжение сети и ее частота остаются неизменными.
После подключения генератора в сеть при соблюдении всех условий синхронизации его ЕДС равна по значению и противоположна по фазе напряжению сети (рис. а), поэтому ток в цепи генератора равен нулю, т.е. генератор работает без нагрузки. Механическая мощность приводного двигателя в этом случае полностью затрачивается на покрытие потерь ХХ:

Слайд 109СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 107













Векторные диаграммы СГ, включенного на

параллельную работу:
а – при работе без нагрузки; б – при работе с нагрузкой
Отсутствие тока в обмотке статора синхронного генератора
( ) приводит к тому, что обмотка статора не создает вращающегося магнитного поля и в генераторе действует лишь магнитное поле возбуждения, вращающееся вместе с ротором с угловой частотой , но не создающее электромагнитного момента.

Слайд 110СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 108
Если же увеличить вращающий момент

приводного двигателя , то ротор машины, получив некоторое ускорение, сместится относительно своего первоначального положения на угол в направлении вращения. На такой же угол окажется сдвинутым вектор ЭДС генератора относительно своего положения, соответствующему режиму ХХ генератора (рис б). В результате в цепи статора появится результирующая ЭДС
, которая создаст в цепи обмотки статора ток
Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора и считать, сопротивление этой обмотки чисто индуктивным, то ток
отстает по фазе от на угол (рис б) и отстает по фазе от ЭДС на угол
Ток создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором и создающее вместе с полем ротора результирующее магнитное поле синхронной машины. Ось этого результирующего поля не совпадает с продольной осью полюсов ротора
; в синхронном генераторе ось полюсов ротора
опережает ось результирующего поля машины на угол
(рис. а).

Слайд 111СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 109















К понятию об электромагнитном моменте

синхронного генератора

Слайд 112СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 110
Известно, что разноименные магнитные полюсы

взаимно притягиваются, поэтому между намагниченными полюсами ротора и неявно выраженными полюсами вращающегося поля статора возникают силы магнитного притяжения (рис. б).
Вектор этой силы на каждом полюсе ротора, направленный под углом к оси полюса, имеет две составляющие:
- нормальная составляющая, направленная по оси полюсов, и
- тангенциальная составляющая, направленная перпендикулярно оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих на всех полюсах ротора создает на роторе синхронного генератора электромагнитный момент, направленный встречно вращающемуся магнитному полю:

где – диаметр ротора.
Таким образом, электромагнитный момент синхронной машины является синусоидальной функцией угла и может быть представлена выражением:

Слайд 113СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 111


где

- максимальное значение электромагнитного момента, соответствующее значению угла











Электромагнитный момент , возникающий на роторе генератора направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя , т.е. он является тормозящим моментом.

Слайд 114СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 112
Синхронный генератор может работать параллельно

с сетью в 2х режимах:




1) Угловая характеристика:


Для неявнополюсного (круглого) ротора:



Слайд 115СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 113
График изменения электромагнитной мощности от

угла нагрузки для неявнополюсной машины представляет собой синусоиду:


Слайд 116СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 114














Угловая характеристика синхронного генератора с

явно выраженными полюсами

Слайд 117СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 115
Синхронизирующая мощность
Чтобы генератор мог работать,

не выпадая из синхронизма с сетью, он должен обладать достаточной синхронизирующей мощностью, т.е. способностью продолжать работать синхронно с сетью даже при значительных изменениях момента Мэм и, следовательно, угла θ.
Удельной синхронизирующей мощностью Рсх называется изменение мощности Рэм, рассчитанное на единицу угла θ.


Слайд 118СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл.116















Синхронизирующая способность синхронной машины

Слайд 119СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 117
Графики удельной синхронизирующей мощности для

явнополюсной машины

Слайд 120СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 118
Под динамической устойчивостью синхронного генератора

понимают способность генератора выдерживать внезапные изменения нагрузки без выпадения из синхронизма. Предельный случай изменения нагрузки – короткое замыкание в сети. При этом напряжение U сильно понижается, что ведет к снижению устойчивости параллельно работающих генераторов. Чтобы избежать этого – производится форсировка возбуждения.

Слайд 121СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 119
Угловые характеристики
1. P=f(θ); 4. I=f(θ);
2. Q=f(θ); 5. cosφ=f(θ);
3. S=f(θ); 6. Pуд.с=f(θ).
Диаграмма МДС

Слайд 122СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 120

Слайд 123СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл. 121

Слайд 124СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Угловые характеристики cинхронной машины. сл.122

Слайд 125СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 123
Режим U-образных характеристик

Ранее мы рассматривали

параллельную работу синхронного генератора при неизменном токе возбуждения. Что же произойдет в синхронном генераторе, если после подключения его к сети для параллельной работы изменить ток в его обмотке возбуждения, оставив неизменным вращающий момент приводного двигателя? Предположим, что генератор после подключения на сеть работает без нагрузки и его ЭДС
уравновешивает напряжение сети Если при этом увеличить ток в обмотке возбуждения, т.е. перевозбудить машину, то ЭДС
увеличится до значения и в цепи генератора появится избыточная ЭДС (рис. а), вектор которой совпадает по направлению с вектором ЭДС Ток вызванный ЭДС
, будет отставать от нее по фазе на (поскольку ). По отношению к ЭДС этот ток также будет отстающим (индуктивным). С увеличением перевозбуждения значение реактивного (индуктивного) тока увеличится.

Слайд 126СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 124
Векторные диаграммы ЭДС синхронного генератора,


включенного на параллельную работу

Слайд 127СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 125
Если же после того,

как генератор подключен к сети, уменьшить ток возбуждения, т.е. недовозбудить машину, то ЭДС
уменьшится до значения и в цепи генератора опять будет действовать избыточная ЭДС Теперь вектор этой ЭДС будет совпадать по направлению с вектором напряжения сети (рис. б), и поэтому ток вызванный этой ЭДС и отстающий от нее по фазе на , будет опережающим (емкостным) по отношению к ЭДС генератора
Следует иметь ввиду, что ток отстающий по фазе от ЭДС по отношению к напряжению сети является опережающим током и, наоборот, ток опережающий по фазе ЭДС является отстающим по отношению к напряжению
Если при всех изменениях тока возбуждения вращающий момент приводного двигателя остается неизменным, то также неизменной остается мощность генератора:

Слайд 128СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 126
Из этого выражения следует, что

при активная составляющая тока статора
Таким образом, степень возбуждения синхронного генератора влияет только на реактивную составляющую тока статора. Что же касается активной составляющей тока
то она остается неизменной.
Зависимость тока статора от тока в обмотке возбуждения при неизменной активной нагрузке генератора выражается графически образной кривой. На рисунке представлены образные кривые при Кривые построены для разных значений активной нагрузки:
образные кривые синхронного генератора показывают, что любой нагрузке генератора соответствует такое значение тока возбуждения
при котором ток статора становится минимальным и равным только активной составляющей: В этом случае генератор работает при коэффициенте мощности

Слайд 129СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 127












образные характеристики синхронного генератора

Слайд 130СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 128
Значения тока возбуждения, соответствующие
при различной

нагрузке генератора, показаны на рисунке пунктирной кривой. Некоторое отклонение этой кривой вправо указывает на то, что при увеличении нагрузки ток возбуждения, соответствующий несколько возрастает. Объясняется это тем, что при росте нагрузки необходимо некоторое увеличение тока возбуждения, компенсирующее активное падение напряжения.
Необходимо иметь в виду, что при постепенном уменьшении тока возбуждения наступает такое минимальное его значение, при котором магнитный поток обмотки возбуждения оказывается настолько ослабленным, что синхронный генератор выпадает из синхронизма – нарушается магнитная связь между возбужденными полюсами ротора и вращающимся полем статора. Если соединить все точки минимально допустимых значений тока возбуждения на образных кривых (штриховая линия в левой части рисунка), то получим линию предела устойчивости работы синхронного генератора при недовозбуждении.

Слайд 131СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 129

U-образные характеристики:
1. I=f(ib);
2. S=f(ib);
3. Q=f(ib);
4.

cosφ=f(ib);
5. θ=f(ib);

Слайд 132СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 130

Слайд 133СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 131

Слайд 134СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ U-образные характеристики cинхронной машины. сл. 132

Слайд 135СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 133
СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

1. Основные уравнения и векторные диаграммы.
2. Режимы

работы двигателя.
3. Угловые и - образные характеристики.
4. Рабочие характеристики

Преимущества синхронного двигателя:
1. Постоянство частоты вращения.
2. Возможность регулирования
Недостатки:
1. Отсутствие пускового момента.
2. Сложность пуска.

Слайд 136СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 134
В соответствии с принципом обратимости электрических машин синхронная

машина может работать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т.е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.
Для объяснения принципа работы синхронного двигателя представим себе синхронный генератор, включенный на параллельную работу в сеть большой мощности.
Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоростью При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора
смещена относительно оси вращающегося поля
на угол в направлении вращения ротора (рисунок справа). Вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой электромагнитного момента генератора и момента ХХ На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.

Слайд 137СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 135
Переход синхронной машины из генераторного режима в двигательный

Слайд 138СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 136
Если уменьшить вращающий момент то

нагрузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол а следовательно, и ток статора В итоге снизится величина электромагнитного момента и при вращающемся моменте угол т.е. генератор будет работать в режиме ХХ и ЭДС генератора
окажется в противофазе с напряжением сети Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пересечения осей координат (точка О на рисунке). Если же вал синхронной машины отсоединить от приводного двигателя и создать на этом валу тормозной момент, т.е. момент нагрузки направленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС на угол относительно его положения в режиме ХХ в сторону отставания (левая часть рисунка). При этом в цепи обмотки статора появится результирующая ЭДС
которая создает в обмотке статора ток отстающий по фазе от ЭДС на угол (предполагается ) и отстающий по фазе от напряжения сети на угол (в генераторном режиме ток отстает по фазе от ЭДС на угол ).

Слайд 139СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 137
Ток создает магнитное поле, вращающееся

синхронно с ротором, ось которого смещена относительно продольной оси полюсов ротора на угол . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике, что соответствует углу Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов создадут на роторе двигателя электромагнитный момент направленный согласно с вращающимся магнитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую энергию вращения ротора. Вращающий электромагнитный момент преодолевает момент ХХ и создает на валу двигателя полезный момент
под действием которого приводится во вращение исполнительный механизм:

Слайд 140СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 138
Все значения момента на угловой характеристике синхронного двигателя

откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генераторного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генераторном режиме. Оперирование с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудобно, поэтому при рассмотрении синхронных двигателей условно будем принимать моменты и мощности положительными, помня при этом изложенное выше.
Угловые характеристики электромагнитного момента
и его составляющих и представлены на рисунке. Эти характеристики отличаются от угловых характеристик генератора лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т.е. определяются отрицательными значениями углов и моментов и
а также момента при

Слайд 141СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 139









Угловая характеристика синхронного двигателя

Слайд 142

Угловая характеристика синхронного двигателя

Ů1 ф= Ė1 ф
Ů1 ф= Ė1

ф

İ1 ф 0

İ1 ф 0




İ1 ф

Ů1 ф= Ė1 ф

Ů1 ф= Ė1 ф

ф

ф

ф

ф

İ1 ф 0




İ1 ф 0

İ1 ф





Слайд 143СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 141
Активный момент:



Реактивный момент:


Слайд 144СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 142
Уравнения синхронного двигателя:


Слайд 145СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 143
Векторные диаграммы СД с учетом














Недовозбужденный Перевозбужденный

двигатель двигатель

Слайд 146СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 144
Векторные диаграммы СД без учета активного сопротивления обмотки

якоря ( )












Недовозбужденный Перевозбужденный
двигатель двигатель

Слайд 147СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 145

Пуск синхронного двигателя

1. Проблема пуска и существующие способы

пуска.
2. Асинхронный пуск синхронного двигателя.
3. Влияние обмотки возбуждения на пуск синхронного двигателя.

Способы пуска синхронного двигателя

1. С помощью разгонного двигателя.
2. Частотный пуск.
3. Асинхронный пуск.

Синхронный двигатель необходимо сделать еще и асинхронным.

Слайд 148СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 146
Схемы способов пуска СД

Слайд 149СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 147
















Асинхронный пуск синхронного двигателя

Слайд 150СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 148

Слайд 151СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 149
К выбору желаемой механической характеристики
пусковой обмотки СД

Слайд 152СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 150

Слайд 153СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 151














Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя:
– основной

момент; – дополнительный момент;
– момент входа в синхронизм

Слайд 154СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 152
















– образные характеристики синхронного двигателя

Слайд 155СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 153

Энергетическая диаграмма СД

Слайд 156СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 154














Рабочие характеристики синхронного двигателя

Слайд 157СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 155
Ротор синхронного двигателя может вращаться только с синхронной

частотой Это составляет характерную особенность таких двигателей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).
По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некоторые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучшению ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пускового тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она является пусковой обмоткой; ширина полюсного наконечника достигает
вместо в генераторах. Поэтому, несмотря на свойство обратимости, синхронные машины, выпускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение – либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.

Слайд 158СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 156
Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор – это синхронный двигатель, работающий

без нагрузки на валу в качестве генератора реактивной мощности.

Конструктивные особенности:

1. Облегченная конструкция;
2. Отсутствует хвостовик;
3. Установка на открытом воздухе.

Характеристики:
U – образная характеристика.
I=f(ib), P≈0.
Q=f(ib).

Слайд 159СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 157








Пример

Слайд 160СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 158
Полный ток и активная составляющая тока в линии

сети:





До включения СК реактивная мощность сети:

После включения СК реактивная мощность, потребляемая от генератора, уменьшается до


Таким образом, для повышения коэффициента мощности установки от до требуется включить СК мощностью:


Слайд 161СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Сл. 159
При этом активная составляющая тока не изменяется

а реактивная составляющая этого тока станет равной:


Следовательно, ток в сети после включения СК:


т.е. ток в сети уменьшился на:







Слайд 162Синхронные машины специального назначения. Сл. 160
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Синхронные машины с

постоянными магнитами
Синхронные машины с постоянными магнитами (магнитоэлектрические) не имеют обмотки возбуждения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, расположенными на роторе. Статор этих машин обычной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.
Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные генераторы с постоянными магнитами применяют реже, главным образом в качестве автономно работающих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.
Синхронные магнитоэлектрические двигатели. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и аксиальным расположением постоянных магнитов.

Слайд 163Синхронные машины специального назначения. Сл. 161
При радиальном расположении постоянных магнитов пакет

ротора с пусковой клеткой, выполненной в виде полого цилиндра, закрепляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыкание потока постоянного магнита в этом цилиндре (рисунок а ).








Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:
1 – статор; 2 – короткозамкнутый ротор; 3 – постоянный магнит

Слайд 164Синхронные машины специального назначения. Сл. 162
Синхронные двигатели с постоянными магнитами

Слайд 165Синхронные машины специального назначения. Сл. 163
При аксиальном расположении магнитов конструкция ротора

аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые постоянные магниты (рисунок б).
Конструкции с аксиальным расположением магнитов применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.
Физически процессы, протекающие при асинхронном пуске этих двигателей, имеют некоторую особенность, обусловленную тем, что магнитоэлектрические двигатели пускают в возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС частота которой увеличивается пропорционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС создает в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий тормозной момент направленный встречно вращению ротора.

Слайд 166Синхронные машины специального назначения. Сл. 164
Таким образом, при разгоне двигателя с

постоянными магнитами на его ротор действуют два асинхронных момента: вращающий (от тока поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной (от тока наведенного в обмотке статора полем постоянного магнита).











Графики асинхронных моментов магнитоэлектрического
синхронного двигателя

Слайд 167Синхронные машины специального назначения. Сл. 165
Однако зависимость этих моментов от частоты

вращения ротора (скольжения) различна: максимум вращающего момента
соответствует значительной частоте вращения (небольшому скольжению), а максимум тормозного момента – малой частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действием результирующего момента

который имеет значительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведенных на рисунке кривых видно, что влияние момента на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в синхронизм значительно.
Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном режиме и момент входа в синхронизм были больше момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнитоэлектрического двигателя в значительной степени зависит от активного сопротивления пусковой клетки и от степени возбуждения двигателя, характеризуемой величиной

Слайд 168Синхронные машины специального назначения. Сл. 166


где –

ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого хода при вращении ротора с синхронной частотой.
С увеличением «провал» в кривой момента
увеличивается.
Электромагнитные процессы в магнитоэлектрических синхронных двигателях в принципе аналогичны процессам в синхронных двигателях с электромагнитным возбуждением. Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в магнитоэлектрических машинах подвержены размагничиванию действием магнитного потока реакции якоря. Пусковая обмотка несколько ослабляет это размагничивание, так как оказывает на постоянные магниты экранирующее действие.
Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей – повышенная устойчивость работы в синхронном режиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и ).

Слайд 169Синхронные машины специального назначения. Сл. 167
Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей – повышенная

стоимость по сравнению с синхронными двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обладающих большой коэрцитивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изготовляют на небольшие мощности и применяют в приборостроении и в устройствах автоматики для привода механизмов, требующих постоянства частоты вращения.
Синхронные магнитоэлектрические генераторы. Ротор такого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездочки» (рисунок а ), при средней мощности – с когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным магнитом (рисунок б ). Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Слайд 170Синхронные машины специального назначения. Сл. 168







Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:
1 – вал;

2 – постоянный магнит; 3 – полюс; 4 – немагнитная втулка

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с постоянными магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, и поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при изменении нагрузки.

Слайд 171Синхронные машины специального назначения. Сл. 169
Синхронные реактивные двигатели
Отличительная особенность синхронных реактивных

двигателей (СРД) – отсутствие у них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет МДС обмотки статора. В двух и в трехфазных СРД эта МДС является вращающейся.
Для выяснения принципа действия СРД обратимся к выражению электромагнитного момента явнополюсной синхронной машины, из которого следует, что если отключить обмотку возбуждения ( ), то основная составляющая момента становится равной нулю и на ротор машины продолжает действовать лишь реактивная составляющая момента:



Принцип действия СРД заключается в следующем. При включении обмотки статора в сеть возникает вращающееся магнитное поле.

Слайд 172Синхронные машины специального назначения. Сл. 170
Как только ось этого поля

займет положение в пространстве расточки статора, при котором она будет смещена относительно продольной оси невозбужденных полюсов ротора на угол в сторону вращения (рисунок а), между полюсами этого поля и выступающими полюсами невозбужденного ротора возникнет реактивная сила магнитного притяжения полюса ротора к полюсу вращающегося поля статора






















Принцип действия синхронного реактивного двигателя

Слайд 173Синхронные машины специального назначения. Сл. 171
Вектор этой силы

смещен относительно продольной оси ротора также на угол поэтому сила имеет две составляющие: нормальную направленную по продольной оси ротора, и тангенциальную направленную перпендикулярно продольной оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих реактивных сил на всех полюсах невозбужденного ротора создаст вращающий реактивный момент который будет вращать ротор с синхронной частотой С ростом механической нагрузки на вал СРД угол увеличивается и момент растет.
Однако при значении угла реактивный момент
Такая зависимость момента от угла является принципиальной для реактивного момента, отличающей его от основной составляющей электромагнитного момента
синхронного двигателя с возбужденным ротором, который при
имеет максимальное значение. На рисунке б видно,
что при реактивные силы магнитного притяжения
действующие на каждый полюс невозбужденного ротора, взаимно уравновешиваются и реактивный момент

Слайд 174Синхронные машины специального назначения. Сл. 172

Слайд 175
Схема взаимодействия
явнополюсного ротора

и поля
синхронной машины (СМ)




Режим
двигателя

Режим
генератора

а) у режімі
ідеального Х.Х.

б) у режімі
двигуна

в) у режімі
генератора

Угловая характеристика
синхронного двигателя

Слайд 176Синхронные машины специального назначения. Сл. 174
Максимальное значение реактивного момента
наступает при значении

угла Поэтому зависимость реактивного момента от угла определяется выражением:


Непременное условие создания реактивного момента
– явнополюсная конструкция ротора, так как только в этом случае
Мощность СРД и развиваемый им момент меньше, чем у синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора. Объясняется это тем, что у СРД из-за отсутствия магнитного потока ротора ЭДС поэтому основная составляющая электромагнитного момента и электромагнитный момент СРД определяется лишь реактивной составляющей
Поэтому при одинаковых габаритах синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора и СРД мощность на валу и развиваемый момент у СРД намного меньше.

Слайд 177Синхронные машины специального назначения. Сл. 175
К недостаткам СРД следует также отнести

невысокие значения коэффициента мощности и КПД. Объясняется это значительным намагничивающим током статора, так как возбуждение СРД происходит за счет магнитного поля статора.
В СРД применяют асинхронный пуск. Для этого ротор снабжают короткозамкнутой пусковой клеткой. На рисунке а показана традиционная конструкция ротора СРД, отличающаяся от ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин, обеспечивающих ротору явнополюсную конструкцию. Чем больше эти впадины, тем больше отношение а следовательно, и реактивный момент Однако с увеличением впадин растет средняя величина воздушного зазора, что ведет к повышению намагничивающего тока статора, а следовательно, к снижению энергетических показателей двигателя – коэффициента мощности и КПД. Кроме того, с увеличением впадин сокращаются размеры пусковой клетки, что ведет к уменьшению пускового момента и момента входа в синхронизм.

Слайд 178Синхронные машины специального назначения. Сл. 176
Наилучшие результаты дает следующее отношение размеров

ротора:


В этом случае удается добиться отношения

Более совершенна секционированная конструкция ротора СРД, представляющая собой цилиндр, в котором стальные полосы 2 залиты алюминием 1 (рисунок б). Такая конструкция ротора позволяет получить отношение


За счет этого существенно возрастает момент при сохранении намагничивающего тока на допустимом уровне.
На торцах секционированного ротора имеются отлитые из алюминия кольца, замыкающие алюминиевые прослойки ротора, образуя короткозамкнутую пусковую клетку.

Слайд 179Синхронные машины специального назначения. Сл. 177










Конструкция роторов синхронного реактивного двигателя
Простота конструкции

и высокая эксплуатационная надежность обеспечили СРД малой мощности широкое применение в устройствах автоматики для привода самопишущих приборов, в устройствах звуко- и видеозаписи и других установках, требующих строгого постоянства частоты вращения.

Слайд 180Синхронные машины специального назначения. Сл. 178












Угловая характеристика синхронного реактивного двигателя

Слайд 181Синхронные машины специального назначения. Сл. 179
Гистерезисные двигатели
Работа гистерезисного двигателя основана на

действии гистерезисного момента. На рисунке а показаны два полюса постоянного магнита (поле статора); между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне, обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, – северный полюс. На ротор начинают действовать силы направленные радиально к его поверхности. Если полюсы постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля и между осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол Силы действующие на ротор, также изменят свое направление на угол а тангенциальные составляющие этих сил создадут гистерезисный момент (рисунок б ).

Слайд 182Синхронные машины специального назначения. Сл. 180

К понятию о гистерезисном моменте

Слайд 183Синхронные машины специального назначения. Сл. 181
Явление магнитного запаздывания заключаются в том,

что частицы ферромагнитного материала ( помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока
и вектором магнитного потока обмотки статора (рисунок в). Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.
На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой мощности, которая составляет потери на гистерезис. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора а следовательно, от скольжения:

Слайд 184Синхронные машины специального назначения. Сл. 182


где

– потери на гистерезис при неподвижном роторе (при
), т.е. в режиме КЗ.
Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение:


а вращающий момент – электромагнитной мощности, деленной на синхронную угловую скорость:


то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График
представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс.

Слайд 185Синхронные машины специального назначения. Сл. 183












Механические характеристики гистерезисного двигателя

Угол гистерезисного сдвига

зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рисунке а
представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и сплава викаллой (кривая 1).

Слайд 186Синхронные машины специального назначения. Сл. 184










Петли гистерезиса обычной электрической стали и

сплава викаллой (а) и устройство сборного ротора гистерезисного двигателя (б)

Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, например такие, как викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент.

Слайд 187Синхронные машины специального назначения. Сл. 185

Слайд 188Синхронные машины специального назначения. Сл. 186
Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными.

Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещенного на втулке 2 (рисунок б ). Последняя жестко посажена на вал 3.
В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент значение которого пропорционально скольжению:


где – потери на вихревые токи в роторе при т.е. в режиме КЗ;
– угловая синхронная скорость.
Наибольшего значения момент достигает при неподвижном роторе т.е. в момент пуска электродвигателя. Затем по мере возрастания частоты вращения (уменьшения скольжения) момент убывает, при синхронной частоте он становится равным нулю.

Слайд 189Синхронные машины специального назначения. Сл. 187
Гистерезисный двигатель может работать с синхронной

и асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значительными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возрастает с увеличением скольжения.
Преимущества гистерезисных двигателей – простота конструкции, бесшумность и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий КПД, малое изменение кратности тока от пуска до номинальной нагрузки
Недостатки гистерезисных двигателей – низкий коэффициент мощности и сравнительно высокая стоимость. Кроме того, при резких колебаниях нагрузки гистерезисные двигатели склонны к качаниям, что создает неравномерность хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее_ действие). Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая качаниями неравномерность вращения ограничивает области применения гистерезисных двигателей

Слайд 190Синхронные машины специального назначения. Сл. 188

Слайд 191Синхронные машины специального назначения. Сл. 189
Шаговые двигатели
Шаговые (импульсные) двигатели (ШД) используют

обычно в качестве исполнительных двигателей, преобразующих электрические сигналы (импульсы напряжения) в угловые или линейные дискретные (скачкообразные) перемещения (шаги). Наибольшее применение ШД получили в электроприводах с программным управлением.
Различают шаговые двигатели с активным (возбужденным) и реактивным ротором. Шаговые двигатели с активным ротором имеют обмотку возбуждения или выполнены с постоянными магнитами на роторе; шаговые двигатели с реактивным ротором не имеют обмотки возбуждения, а их ротор выполняют из магнитно-мягкого материала. Обмотку управления ШД обычно располагают на статоре и делают одно- или многофазной (чаще трех- или четырехфазной).
Рассмотрим принцип действия шагового двигателя на примере реактивного трехфазного ШД, статор которого имеет шесть явно выраженных полюсов (по два полюса на фазу), а ротор – два полюса.

Слайд 192Синхронные машины специального назначения. Сл. 190

















Принцип действия реактивного шагового двигателя

Слайд 193Синхронные машины специального назначения. Сл. 191
При прохождении импульса тока в фазе

1 обмотки управления ротор занимает положение, соответствующее действию электромагнитных сил, т.е. по оси полюсов 1 – 1. В момент времени появится импульс тока в фазе 2. При этом на ротор будут действовать силы, обусловленные одновременным воздействием двух МДС (полюсов 1 – 1 и 2 – 2). В результате ротор повернется по часовой стрелке и займет положение, промежуточное между полюсами 1 – 1 и 2 – 2, т.е. повернется на шаг В момент импульс тока в фазе 1 прекратится и ротор, сделав шаг займет положение по оси полюсов 2 – 2. В момент появится импульс тока в фазе 3 и ротор, повернувшись еще на займет положение между полюсами статора 2 – 2 и 3 – 3. В моменты времени
ротор также будет совершать шаги на и в конце цикла (момент ) займет положение по оси полюсов статора 1 – 1, совершив за этот цикл поворот на
В последующие циклы процессы в ШД будут повторяться.

Слайд 194Синхронные машины специального назначения. Сл. 192
Таким образом, рассматриваемый реактивный трехфазный ШД

работает по шеститактной схеме коммутации с раздельно-совместным включением фазных обмоток управления:

Работают реактивные ШД от однополярных импульсов напряжения, так как изменение полярности этих импульсов не изменяет направления реактивного момента. Для изменения направления вращения ротора рассматриваемого ШД необходимо изменить схему коммутации обмоток, например:

Если в этом двигателе применить раздельное включение обмоток, т.е. принять схему коммутации то шаг двигателя
Шаг двигателя:


где – число полюсных выступов на роторе;

Слайд 195Синхронные машины специального назначения. Сл. 193
– число фазных обмоток управления, пространственно

смещенных относительно друг друга;
– Коэффициент, определяемый способом включения фазных обмоток управления (при раздельном включении при раздельно-совместном – ).
Уменьшение шага способствует повышению устойчивости и точности работы ШД. Для уменьшения шага увеличивают число полюсных выступов на роторе
Шаговые двигатели с активным ротором (с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе) позволяют получить большие значения вращающего момента, а также обеспечить фиксацию ротора при отсутствии управляющего сигнала.
Один из важных параметров ШД – частота приемистости – максимальная частота следования управляющих импульсов, при которой ротор втягивается в синхронизм с места без потери шага. У шаговых двигателей реактивного типа частота приемистости при номинальной нагрузке достигает 1000 – 1300 Гц. С увеличением шага частота приемистости уменьшается. Шаговый двигатель работает в комплекте с коммутатором – устройством, преобразующим заданную последовательность управляющих импульсов в фазную систему прямоугольных импульсов напряжения.

Слайд 196Синхронные машины специального назначения. Сл. 194
Шаговый двигатель работает в комплекте с

коммутатором – устройством, преобразующим заданную последовательность управляющих импульсов в фазную систему прямоугольных импульсов напряжения.
При рассматривании принципа работы шагового двигателя влияние нагрузочного момента на валу двигателя не учитывалось. Если же на вал шагового двигателя действует нагрузочный момент то при переключении управляющего импульса с одной фазы на другую МДС статора повернется на угол а ротор двигателя, поворачиваясь за вектором МДС, будет отставать от него на угол называемый углом статической ошибки шагового двигателя,



где – максимальный статический момент, соответствующий углу смещения ротора относительно вектора МДС статора

Слайд 197Синхронные машины специального назначения. Сл. 195
Быстродействие шаговых двигателей определяется скоростью протекания

электромагнитных процессов рот переключении управляющих импульсов напряжения с одной фазы статора на другую. Скорость протекания этих процессов оценивается электромагнитной постоянной времени:



где – индуктивность обмотки одной фазы статора;
– активное сопротивление обмотки одной фазы статора.
Для повышения быстродействия шагового двигателя в обмотки фаз статора последовательно включают резисторы
тогда


Частота вращения шагового двигателя регулируется изменением частоты подачи управляющих импульсов напряжения на фазы обмотки статора.

Слайд 198Синхронные машины специального назначения. Сл. 196
Однофазный ШД


Фу ≅2Фпост
Фу
ОУ

Слайд 199Синхронные машины специального назначения. Сл. 197
Редукторные двигатели
Статор (Z1)
α1
Ротор (Z2)
Z1-Z2=kp
Z1=16; Z2=18

α1=2.50, ( )


Слайд 200Синхронные машины специального назначения. Сл. 198
Синхронный генератор с когтеобразными полюсами и

электромагнитным возбуждением
Такие синхронные генераторы широко применяются в автотракторном электрооборудовании. На выходе генератора включают полупроводниковый выпрямитель, поэтому генератор выполняет функцию источника постоянного тока (рисунок а). Ротор генератора имеет обмотку возбуждения (рисунок б).








Принципиальная схема включения (а) и магнитная система синхронного генератора (б) с когтеобразными полюсами

Слайд 201Синхронные машины специального назначения. Сл. 199
Когтеобразная конструкция ротора позволяет возбудить многополюсный

ротор посредством одной катушки возбуждения, подключаемой к источнику постоянного тока через контактные кольца и щетки. В таком роторе аксиально направленный магнитный поток возбуждения меняет свое направление в воздушном зазоре и становится радиально направленным (рисунок б). Рассматриваемый генератор отличается простотой конструкции, компактностью, надежностью и высокой технологичностью. Последнее преимущество имеет важное значение в условиях массового производства синхронных генераторов с когтеобразными полюсами. Обычно эти генераторы изготовляются небольшой мощности (менее ).
В схеме электрооборудования генератор включают параллельно с аккумуляторной батареей, и он работает с ней в буферном режиме, т.е. они дополняют друг друга в зависимости от величины нагрузки и частоты вращения приводного двигателя.
На следующем рисунке показано устройство автомобильного синхронного генератора типа Г-250.

Слайд 202Синхронные машины специального назначения. Сл. 200
















Устройство синхронного генератора с когтеобразными полюсами


Слайд 203Синхронные машины специального назначения. Сл. 201
Статор 8 этого генератора представляет собой

шихтованный пакет, на 18 зубцах которого расположены катушки 7, образующие трехфазную обмотку, соединяемую звездой. Ротор состоит из вала, на который напрессованы две стальные шайбы с отогнутыми когтеобразными полюсами 2 (по шесть полюсов на каждой шайбе). На стальную втулку 10 надета цилиндрическая катушка возбуждения 9, концы которой присоединены к контактным кольцам 5. На кольца наложены медно-графитовые щетки 6. На заднем подшипниковом щите 4 расположен выпрямительный блок из шести кремниевых диодов 3, соединенных по мостовой схеме. Подшипниковые щиты 1 и 4 и сердечник статора стянуты тремя болтами. На валу генератора укреплены центробежный вентилятор 11 и шкив 12, посредством которого ротор генератора приводится во вращение.

Слайд 204Синхронные машины специального назначения. Сл. 202
Индукторные синхронные машины
Некоторые устройства, например установки

индукционного нагрева, гироскопические и радиолокационные устройства, требуют для своей работы переменного тока повышенной частоты, выражаемой сотнями и даже тысячами герц. Получение таких переменных токов посредством синхронных генераторов обычной конструкции сопряжено с непреодолимыми трудностями, так как связано с необходимостью либо увеличения частоты вращения свыше 3000 об/мин, либо чрезмерного увеличения числа полюсов, либо одновременного применения обоих мероприятий. Однако увеличение частоты вращения ведет к возрастанию центробежных усилий в роторе до опасных значений, а увеличение числа полюсов ведет к такому уменьшению полюсного деления при котором размещение обмотки на статоре становится практически невозможным. Для получения переменного тока повышенной частоты (до 30 кГц) применяют индукторные генераторы, отличительным признаком которых является то, что за один период магнитный поток в них не меняет своего знака, как в обычных синхронных генераторах, а лишь изменяется от до значений, т.е. пульсирует (рисунок а ).

Слайд 205Синхронные машины специального назначения. Сл. 203














Индукторный генератор сдвоенного типа:
а – график

магнитного потока; б – устройство генератора; в – взаимное расположение статора и ротора

Слайд 206Синхронные машины специального назначения. Сл. 204
Пульсирующий поток состоит из двух составляющих:

постоянной и переменной представляющей собой периодически изменяющийся как по значению, так и по направлению магнитный поток с амплитудой
Постоянная составляющая потока не наводит в обмотках ЭДС, а переменная составляющая, сцепляясь с рабочей обмоткой генератора, наводит в ней ЭДС.
Существует несколько конструктивных схем индукторных генераторов. Все они основаны на создании пульсаций магнитного потока за счет изменения проводимости магнитной цепи, т.е. за счет зубцовых пульсаций магнитного потока. Для этого статору и ротору придают зубчатую структуру. Когда зубец ротора находится против зубца статора, то магнитный поток в зубце статора приобретает наибольшее значение, когда же против зубца статора расположен паз ротора, то магнитный поток в этом зубце статора становится наименьшим. При этом частота изменений переменного магнитного потока, а следовательно, и частота ЭДС, наведенной в рабочей обмотке этим потоком, пропорциональны числу зубцов ротора

Слайд 207Синхронные машины специального назначения. Сл. 205
Рассмотрим одну из конструкций индукторного генератора,

называемую сдвоенной (рисунок б). Статор 1 и ротор 5 генератора выполнены сдвоенными. Обмотка возбуждения 2, расположенная на статоре, подключена к источнику постоянного тока и создает магнитный поток, замыкающийся вдоль вала ротора 4, при этом на каждой части статора (и ротора) возбуждаются полюсы одной полярности. Число зубцов на статоре и на роторе одинаково. Пульсации магнитного потока происходят за счет смещения зубцов вращающегося ротора относительно зубцов статора. На каждом зубце статора расположена катушка 3, в которой переменной составляющей магнитного потока наводится ЭДС.
Весьма важным в индукторных генераторах является обеспечение постоянства общего магнитного потока при вращении ротора, так как в противном случае в обмотке возбуждения 2 будет индуцироваться ЭДС высокой частоты. В рассматриваемом индукторном генераторе постоянство общего магнитного потока обмотки возбуждения обеспечивается тем, что один пакет ротора смещен относительно другого пакета на половину зубцового деления (рисунок в).

Слайд 208Синхронные машины специального назначения. Сл. 206
Благодаря этому магнитное сопротивление суммарному потоку

возбуждения остается неизменным при любом положении ротора. Это позволило ротор генератора сделать стальным монолитным (а не шихтованным) с профрезерованными пазами.
Отсутствие обмоток на роторе позволяет исключить в индукторном генераторе контактные кольца. Это упрощает конструкцию генератора и повышает его надежность.
Генераторы индукторного типа применяются в качестве возбудителей турбогенераторов серии ТВВ. На рисунке показано устройство такого возбудителя – генератора индукторного типа мощностью 2700 кВА. В отличие от индукторного генератора сдвоенного типа ротор возбудителя имеет шихтованную конструкцию. Вентиляция генератора выполняется по замкнутому циклу с применением газоохладителей.

Слайд 209Синхронные машины специального назначения. Сл. 207















Возбудитель индукторного типа мощностью 2700 кВ.А:
1

– статор; 2 – ротор; 3 – газоохладитель

Слайд 210Синхронный тахогенератор. Сл. 208
Синхронный тахогенератор

Слайд 211Синхронный тахогенератор. Сл. 209
ЭДС, которая индуктируется в однофазной обмотке при вращении

ротора, равна:


При холостом ходе:


следовательно,


т.е. выходная характеристика синхронного тахогенератора
– нелинейная.

Слайд 212Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 210
Переходные процессы в синхронной машине

1.

Определение и виды внезапного короткого замыкания.
2. Сверхпроводящий контур и его свойства.
3. Токи и условия внезапного короткого замыкания в различные моменты времени.

Под внезапным коротким замыканием понимают режим короткого замыкания в промежуток времени между начальным моментом короткого замыкания и режимом установившегося короткого замыкания.
Внезапное короткое замыкание длится весьма короткий промежуток времени и тем не менее может привести к тяжелой аварии генератора главным образом в результате возникновения весьма значительных динамических эффектов.
В дальнейшем будем рассматривать случай внезапного короткого замыкания в предположении, что замыкание произошло не в сети, а на зажимах генератора. При этом условии ток короткого замыкания определяется параметрами только генератора и получается большим, чем в случае короткого замыкания в сети.

Слайд 213Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 211
В основу анализа этого сложного

явления положено представление о сверхпроводящем контуре, т.е. о таком контуре, активное сопротивление которого равно нулю. Предполагая, что сверхпроводник представляет собой замкнутый контур, легко показать, что магнитный поток, сцепленный со сверхпроводящим контуром, остается постоянным по величине и направлению.
По II-му закону Кирхгофа:

где
это ЭДС, наведенная в контуре какой- нибудь внешней причиной (например, приближается или удаляется постоянный магнит). При этом в контуре возникает ток i, который создает ЭДС самоиндукции

Слайд 214Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 212
где

потокосцепление самоиндукции.
Для сверхпроводящего контура r = 0.
Тогда


откуда

т.е. полное потокосцепление сверхпроводящего контура остается постоянным при всех обстоятельствах.
Пусть, например, сначала в контуре нет ни тока, сцепленного с ним потока, т.е. . Если затем приблизить к нему магнит, и, стало быть, изменить внешнее потокосцепление от нуля до величины , то в контуре возникнет такой по величине и направлению ток i, который создаст потокосцепление самоиндукции

Слайд 215Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 213
где

потокосцепление самоиндукции.
Для сверхпроводящего контура r = 0.
Тогда


откуда

т.е. полное потокосцепление сверхпроводящего контура остается постоянным при всех обстоятельствах.
Пусть, например, сначала в контуре нет ни тока, сцепленного с ним потока, т.е. . Если затем приблизить к нему магнит, и, стало быть, изменить внешнее потокосцепление от нуля до величины , то в контуре возникнет такой по величине и направлению ток i, который создаст потокосцепление самоиндукции

Слайд 216Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 4
Синхронный генератор как раз обладает

рядом контуров с относительно весьма малым активным сопротивлением. Поэтому на первом этапе изучения физических процессов, происходящих в генераторе при внезапном коротком замыкании, можно считать, что активные сопротивления этих контуров равны нулю. Имеется ввиду три таких контура:
1) обмотка статора;
2) обмотка возбуждения;
3) успокоительная обмотка.
Действительно:


при КЗ

тогда






Слайд 217Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 214
Для того, чтобы выяснить физическую

картину явления при трехфазном коротком замыкании, достаточно взять одну фазную обмотку и считать, что она состоит из эквивалентной катушки, например А - Х. Поэтому в дальнейшем слово трехфазный опускается.
Предполагается, что до момента короткого замыкания машина работает вхолостую, т.е. и рассматриваются условия внезапного К.З. в два различных момента времени:
1. В момент, когда поток, пронизывающий катушку А - Х, равен 0
( ), и, следовательно, наводимая в катушке ЭДС достигает наибольшего значения, т.е.
2. В момент, когда поток достигает максимума ( ), а

Т.е.




Слайд 218Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 215
Внезапное КЗ СГ

1)

В момент



Слайд 219Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 216

















Потоки и ток внезапного короткого

замыкания при :
а) – ток в обмотке якоря; б) – ток в обмотке возбуждения;
в) – ток в успокоительной обмотке.

Слайд 220Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 217


















Короткое замыкание в момент времени

t = 0, когда .





Слайд 221Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 218
Распределение потокосцеплений
в момент короткого замыкания



Слайд 222Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 219
Реальное потокосцепление при коротком замыкании


(сверхпереходной процесс)


Слайд 223Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 220
Потокосцепление при коротком замыкании
(переходной процесс)

Слайд 224Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 221
ТОКИ ВНЕЗАПНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
а) ток

в успокоительной обмотке





б) составляющая этого тока в якоре

Слайд 225Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 222
в) ток в обмотке возбуждения






г)

составляющая этого тока в якоре

Слайд 226Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 223
д) установившийся ток короткого замыкания

е)

результирующий ток короткого замыкания в якоре


Слайд 227Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 224
2)

В момент



Слайд 228Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 225















Потокосцепление при внезапном коротком замыкании

при
– потокосцепление до короткого замыкания

t=0


Слайд 229Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 226
















Потокосцепление при установившемся коротком замыкании

Слайд 230Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 227

















1 – периодическая составляющая тока

;
2 – апериодическая составляющая тока ;
3 – кривая результирующего тока внезапного КЗ



Слайд 231Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 228

















Токи в успокоительной и обмотке

и в обмотке возбуждения

Слайд 232Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 229
Переходные и сверхпереходные
индуктивные сопротивления
Затухание

тока при внезапном коротком замыкании можно учесть изменением параметров короткозамкнутой системы, то есть ее индуктивных сопротивлений. Для этого достаточно рассмотреть картину потоков в начальный момент короткого замыкания на рисунке 1-б. Весь поток (потокосцепление ), создаваемый потоком короткого замыкания и сцепленный с обмоткой якоря, представляет собой сумму двух потоков: потока рассеяния и потока продольной реакции якоря
вытесненного на пути рассеяния успокоительной обмотки и обмотки возбуждения, т.е.


Поток должен преодолеть магнитные сопротивления трех последовательно соединенных участков магнитной цепи:





Слайд 233Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 230
– сопротивление

участка пути по якорю и воздушному зазору;
– сопротивление на пути рассеяния успокоительной обмотки;
– сопротивление на пути потока рассеяния обмотки возбуждения.
Следовательно:


Сопротивление практически равно сопротивлению пути потока реакции якоря при установившемся коротком замыкании, так как оно, в основном, определяется сопротивлением зазора.
Каждое магнитное сопротивление может быть выражено обратной величиной соответствующей ему магнитной проводимости.


Слайд 234Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 231
Если в последней формуле магнитные

сопротивления выразим через соответствующие проводимости , то




или



Если обозначить - проводимость потока рассеяния якоря, то полная проводимость , соответствующая потоку , будет








Слайд 235Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 232
Каждой проводимости отвечает определенная индуктивность

L и при заданной частоте — определенное индуктивное сопротивление .
Таким образом:
— сверхпереходное синхронное продольное индуктивное сопротивление синхронной машины;
— индуктивное сопротивление рассеяния якоря;
— сверхпереходное продольное индуктивное сопротивление реакции якоря;
— продольное синхронное индуктивное сопротивление реакции якоря;
— индуктивное сопротивление рассеяния успокоительной обмотки;
— индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения;
Тогда








Слайд 236Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 233





Этому уравнению соответствует следующая схема

замещения для сверхпереходного режима:







Обычно сопротивление весьма невелико, поэтому





Слайд 237Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 234
Физически это объясняется тем, что

в начальный момент внезапного короткого замыкания синхронная машина представляет замкнутый накоротко трансформатор, в котором роль вторичного контура играет по существу только успокоительная обмотка. Результирующий поток такого трансформатора должен создавать только ЭДС, достаточную для преодоления падения напряжения во вторичном контуре. Если сопротивление последнего близко к нулю, то и результирующий поток очень мал. А это эквивалентно отсутствию реакции якоря. Практически остается только поток рассеяния, который определяет сопротивление .
Численные значения и (в относительных единицах):







Слайд 238Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 235
Примерно через 0,4 - 0,6

секунды ток в успокоительной обмотке затухает, т.е. все происходит так, как если бы сопротивление возросло бы до бесконечности. Картина распределения потока для этого случая показана на рисунке.
Соответственно этому



где — переходное продольное индуктивное сопротивление синхронной машины.
Этому уравнению соответствует схема замещения для переходного режима:



Слайд 239Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 236
Величина внезапных токов трехфазного короткого

замыкания

Если бы имелась только симметричная составляющая тока внезапного КЗ, то


или, если генератор не имеет успокоительной обмотки :



В действительности на ток или налагается апериодическая составляющая тока внезапного КЗ причем (если ток изменяется синусоидально , то

Действующее значение тока








Слайд 240Переходные процессы в синхронной машине. Сл. 237
Действующее значение тока



Слайд 241Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 238
Параметры СГ при несимметричных режимах
а)

Двухфазное короткое замыкание




ФК2—пульсирующий магнитный поток, частота



Пульсирующее магнитное поле по методу симметричных составляющих раскладываем на два: поле прямой последовательности с потоком и поле обратной последовательности с потоком

Слайд 242Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 239
Действие потока учитывается с

помощью параметра — индуктивное сопротивление обратного следования фаз.
Для экспериментального определения
1) ротор вращают в нормальном направлении со скоростью n;
2) обмотку возбуждения замыкают накоротко;
3) к обмотке статора подводят трехфазное симметричное напряжение с частотой но обратного следования фаз.
Тогда

Зная можно определить величину тока двухфазного короткого замыкания воспользовавшись схемой замещения:


Слайд 243Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 240






б) Однофазное короткое замыкание.
В этом

случае наряду с системой токов прямой и обратной последовательности имеется еще система токов нулевой последовательности
Действие тока нулевой последовательности учитывается с помощью параметра



Слайд 244Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 241
Зная можно определить величину

тока однофазного короткого замыкания воспользовавшись схемой замещения:










Сравним графики характеристик короткого замыкания и установим выражения для определения

Слайд 245Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 242
Сравнение однофазного, двухфазного и трехфазного

коротких замыканий:


Слайд 246Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 243
Значения индуктивных сопротивлений СМ в

о.е.

Слайд 247Параметры СГ при несимметричных режимах. Сл. 244

Слайд 248Колебания СГ. Сл. 245
Колебания СГ
Предположим, что синхронный генератор, подключенный на параллельную

работу к сети, работает ненагруженным. Чтобы нагрузить генератор, увеличивают вращающий момент первичного двигателя до значения соответствующего повороту оси полюсов ротора на угол и электромагнитному моменту
Однако под действием энергии вращающихся масс синхронной машины и приводного двигателя ротор повернется на угол при котором электромагнитный момент генератора достигнет значения В результате нарушившегося равновесия моментов ротор начнет поворачиваться в направлении уменьшения угла но силы инерции и в этом случае помешают ротору остановиться в положении, соответствующем углу и переведут его в положение, соответствующее углу при котором электромагнитный момент генератора окажется меньше вращающего момента Поэтому ротор не остановится в положение а будет поворачиваться в направлении увеличения угла

Слайд 249Колебания СГ. Сл. 246

















Колебания синхронной машины:
1 – угловая характеристика; 2 –

график затух. колебаний ротора

Слайд 250Колебания СГ. Сл. 247
Таким образом, ротор синхронного генератора будет совершать колебательные

движения (качания) около среднего положения (график 2), соответствующему равновесию вращающего и электромагнитного моментов. Если бы колебания ротора не сопровождались потерями энергии, то они продолжились неопределенно долго, т.е. были бы незатухающими. Однако в реальных условиях колебания ротора вызывают потери энергии, из которых наибольшее значение имеют магнитные потери, обусловленные возникновением вихревых токов в сердечнике ротора.
Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора оказывает на ротор «успокаивающее» действие, уменьшающее его колебания. Следовательно, колебания ротора имеют затухающий характер, и поэтому спустя некоторое время ротор займет положение, соответствующее углу при котором устанавливается равновесие моментов.

Слайд 251Колебания СГ. Сл. 248
Причинами, вызывающими колебания ротора, могут быть либо изменения

вращающего момента первичного двигателя либо изменение нагрузки генератора, т.е. электромагнитного момента
Колебания ротора, вызванные указанными причинами, называются собственными.
Возможны также вынужденные колебания, вызванные неравномерным вращением ротора, например, в генераторах с приводом от поршневого двигателя (дизели, газовые двигатели) Наиболее опасен случай совпадения частоты собственных колебании с частотой вынужденных (резонанс колебаний).
Значительного уменьшения колебаний достигают применением в синхронной машине успокоительной (демпферной) обмотки.
Изложенное здесь о колебаниях в СГ в равной мере относятся и к СД.

Похожие презентации

Актуальные проблемы ведения Регистра муниципальных нормативных правовых актов Пермского края 328
Организация самостоятельной работы студента с использованием программно-методической системы по изучению грамматической темы английского языка “Reported speech” (Косвенная речь) 218
Прогулка по улицам города Петрозаводска 225
НОУ географов Координаты 202
Муниципальное дошкольное образовательное учреждениеДетский сад компенсирующего вида № 7 163

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика