Асинхронные машины

Холостой ход асинхронной машины.

Асинхронная машина с фазным ротором:

Мы рассматриваем режим, когда ротор разомкнут - заторможенная магнитная система.

Под действием магнитного потока в первичной и вторичной обмотках будет индуктироваться ЭДС

магнитный поток.

число витков в фазе статарной обмотки.

обмоточный коэффициент статорной обмотки.

частота питающей сети.

Заторможенная асинхронная машина практически представляет собой трансформатор, у которого имеется воздушный зазор, поэтому можно ввести понятие коэффициента трансформации:

Режим работы под нагрузкой при заторможенном роторе.

Под действием в обмотке ротора будут протекать токи, которые создают магнитный поток, вращающийся в пространстве с частотой .

Поток, создаваемый статарной обмоткой будет взаимодействовать с роторной обмоткой и получим результирующий магнитный поток. По аналогии с трансформатором можно записать:

Можно построить диаграмму:

Так же как у трансформатора вторичная обмотка приводится к первичной обмотке, т.е реальная вторичная обмотка заменяется фиктивной обмоткой, имеющей то же самое число фаз, витков, шаг обмотки, число пазов на полюс фазу, как и у первичной обмотки, для того, чтобы энергетические показатели остались без изменений, в реальные параметры вторичной обмотки вводятся поправочные коэффициенты.

поправочный коэффициент по току.

число фаз первичной и вторичной обмоток (в случае короткозамкнутого ротора число фаз равно числу стержней).

приведенные значения вторичной обмотки.

Рассмотренный режим применяется в индукционных регуляторах, который представляет заторможенную асинхронную машину с фазным ротором, у которой ротор может поворачиваться.

В случае подачи питания на обмотку ротора, образуется магнитное вращающееся поле, которое индуктирует в фазах статора и ротора ЭДС, в том случае, если пространственно оси фаз статора и ротора совпадают, ЭДС будут иметь одинаковое направление.

Если мы ротор повернем на угол , диаграмма будет выглядеть так:

Применяется так же этот режим в фазорегуляторах, который представляет собой асинхронную машину. На статарную обмотку подается напряжение . При повороте ротора изменяется фаза напряжения , относительно напряжения фазы .

Работа асинхронной машины при вращающемся роторе.

, следовательно, в проводниках ротора будет создаваться ЭДС с частотой .

скорость, с которой поле пересекает проводники ротора.

скольжение.

частота, когда ротор заторможен.

В машинах малой мощности скольжение достигает 20%, а в машинах большой мощности 1-4%.

Скольжение в номинальном режиме -

Скольжение в заторможенном режиме -

Скорость вращения намагничивающей силы ротора.

скорость ротора.

Следовательно, скорость поля относительно ротора будет равна:

поле ротора в пространстве вращается с той же скоростью, что и поле статора.

Схема замещения асинхронной машины с вращающимся ротором.

Уравнение электрического равновесия для первичной обмотки:

Для вторичной обмотки:

ротор закорочен.

Из анализа полученного уравнения и уравнения трансформатора можно сделать вывод, что для анализа работы асинхронной машины с вращающимся ротором может быть применена схема замещения трансформатора, если во вторичную обмотку будет включено добавочное сопротивление:

Электрическая мощность, выделяемая в этом сопротивлении, будет равна механической мощности, развиваемой двигателем.

Т-образная схема замещения асинхронной машины с вращающимся ротором.

r₁ – активное сопротивление фазы обмотки статора;

x₁ – индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора;

r’₂ – активное сопротивление фазы ротора, приведенное к обмотке статора;

x’₂ – индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора, приведенное к обмотке статора;

r_m – активное сопротивление намагничивающего контура (с определенным допущением можно считать, что это сопротивление учитывает потери в стали);

x_m – индуктивное сопротивление намагничивающего контура, обусловленное взаимной индуктивностью статорных и роторных обмоток.

7 лекция.

Г- образная схема замещения.

Т- образная схема неудобна для изучения режимов работы асинхронной машины, в связи с тем, что при изменении скольжения будут изменяться все три тока. И для решения этой проблемы была предложена Г- образная схема замещения, у которой намагничивающий контур вынесен на зажимы первичной цепи.

Намагничивающим называется контур, который образуется в Т- образной схеме, когда скольжение равно 0. (идеальный холостой ход).

Так как напряжение сети остается постоянным, то при изменении режима асинхронной машины будут изменятся только два тока -, ток намагничивающего контура остается постоянным.

В связи с преобразованием Т- образной схемы в Г- образную, вводится поправочный коэффициент из условия, что .

Г- образная схема замещения:

поправочный коэффициент.

В том случае, если параметры схемы замещения имеют поправочный коэффициент комплексное число, то схема называется точной, если действительное число, то схема называется уточненной.

Введены обозначения:

Режим асинхронного двигателя.

Образуется вращающееся поле, частота вращения изменяется от до .

При вращении магнитного поля оно будет пересекать проводники ротора, в проводниках возникает ЭДС, под действием которой будет протекать ток, проводник с током взаимодействует с вращающимся магнитным полем и возникает электромагнитный момент.

По правилу правой руки определяем направление тока в проводнике, далее используем правило левой руки, чтоб определить силу, действующую на проводник. Момент получили вращающий - это доказывает, что мы имеем режим асинхронного двигателя.

В случае, когда n=n₁ (идеальный холостой ход, скорость ротора равна скорости магнитного поля) поле не будет пересекать проводники ротора, ЭДС ротора будет равна нулю, ток ротора равен нулю и, следовательно, момент будет равен нулю. Поэтому этот режим возможен только в том случае, если ротор приводится во вращение другим приводным двигателем. И в этом случае мощность из сети потребляется на покрытие потерь в стали, а механические и добавочные потери покрываются за счет мощности приводного двигателя.

- режим асинхронного двигателя.

Уравнение равновесия:

Учитывая, что асинхронные двигатели работают от сети с постоянным напряжением , увеличение тока нагрузки приводит к уменьшению ЭДС , а поскольку пропорциональна магнитному потоку, то увеличение тока приводит к уменьшению магнитного потока.

Поскольку падение напряжения при номинальной нагрузке составляет несколько % от , принято считать, что магнитный поток при изменении нагрузки остается постоянным.

Асинхронный двигатель из сети потребляет активную и реактивную мощность, активная идет на покрытие потерь и преобразовывается в механическую, реактивная мощность потребляется для создания магнитного поля.

Режим асинхронного генератора.

Как видно из векторной диаграммы асинхронного двигателя – с уменьшением нагрузки двигателя будет происходить перемещение вектора в положение тока холостого хода.

В том случае, если довести с помощью вспомогательного двигателя скорость ротора до синхронной мы получим идеальный холостой ход.

Если увеличить скорость в роторе выше синхронной (с помощью приводного двигателя), то получим новый режим.

частота будет изменяться от

Проводник перемещается по направлению часовой стрелки. Электромагнитный момент меняет свое направление и становится тормозным.

Уравнение равновесия:

Ток разложим на две составляющие:

Общее выражение для активной и реактивной составляющей тока:

При работе в режиме генератора скольжение меняет свой знак на отрицательный и, следовательно, как видно из полученных выражений активная составляющая тока так же меняет свой знак.

Проведенные исследования позволяют сделать заключение, что в генераторном режиме машина будет отдавать в сеть активную мощность, а потреблять реактивную. В связи с этим ограничено применение генератора. К генератору необходимо подключить блок конденсатора.

Кроме того у синхронных генераторов мощность, которая идет на возбуждение, составляет 1% от полной мощности, а у асинхронных 20-40%.

Режим электромагнитного тормоза.

Диапазон, в котором изменяется скорость:

Мощность подводится как со стороны сети, так и со стороны вала, режим характеризуется низким и большими токами.

Для улучшения и уменьшения токов, в ротор включаются активные дополнительные сопротивления.

Энергетическая диаграмма асинхронной машины:

В этой диаграмме отсутствуют потери в стали ротора, это обусловлено тем, что работающей машины частота перемагничивания очень мала, потери на вихревые токи и гистерезис очень малы. Кроме основных потерь, указанных на диаграмме есть еще добавочные потери, которые делятся на добавочные потери холостого хода и добавочные потери при нагрузке.

При холостом ходе добавочные потери поверхностные (это потери в поверхностном слое зубцов статора и ротора, от пульсации индукции в воздушном зазоре) и пульсационные - в стали зубцов, от пульсации индукции в зубцах.

При нагрузке - потери, которые возникают под действием полей рассеяния, ступенчатости кривых распределения МДС обмоток статора и ротора, пульсации в воздушном зазоре, в короткозамкнутых роторах потери от токов между стержнями.

Если добавочные потери не рассчитываются, то они берутся как 0,5% от номинальной мощности двигателя.

КПД достигает максимального значения, когда переменные потери равны постоянным.

8 лекция.

Из Г- образной схемы замещения:

Максимальный электромагнитный момент:

Для того, чтобы найти необходимо в формулу момента подставить скольжение. Скольжение, соответствующее максимальному электромагнитному моменту может быть найдено по условию:

Из полученного выражения следует, что не зависит от (то есть при увеличении максимальный момент не меняется, а он сдвигается в сторону больших скольжений), отношение называется коэффициентом перегрузочной способности электрической машины. У большинства асинхронных машин он больше 2.

Пусковой момент асинхронного двигателя.

Пусковой момент – это магнитный момент при

зависит от активного сопротивления ротора.

- кратность пускового момента, не меньше 0,7.

Как будет изменятся при увеличении ?

Включение сопротивления в цепь ротора приводит к увеличению пускового момента.

Рассмотрим, как влияет частота питающей сети на кривую момента:

Из анализа формулы следует, что с уменьшением частоты питающей сети будет уменьшаться. В связи с этим произведенным анализом:

Методы пуска асинхронных машин.

1. Прямой пуск – когда двигатель непосредственно подключен к сети.

Достоинство – быстрый набор скорости, однако пусковые токи достигают 4..6 номинала, что может привести к недопустимому снижению напряжения сети, что в свою очередь вызовет ухудшение рабочих характеристик двигателей, работающих от этой сети.

2. При пониженном напряжении он делится на три случая:

- реактивный пуск;

- автотрансформаторный пуск;

- переключение соединения обмоток .

Как видно из формулы момента: и максимальный и пусковой момент зависят от квадрата тока.

9 лекция.

3.Пуск с помощью включения активного сопротивления в цепь ротора. Этот способ применяется для пуска асинхронных двигателей с фазным ротором.

Переходим на сопротивление :

т. B – новый режим.

Таким образом, ступенчатая кривая характеризует процесс пуска при выключении сопротивлений включенных в цепь.

т. С – точка рабочего режима асинхронного двигателя, R_д=0.

Что будет с пусковым током?

-это положительное качество.

Ток в этом случае уменьшается.

активная составляющая тока.

Из формулы тока видно, что включение добавочного сопротивления приводит к уменьшению общего тока , но электромагнитный момент создается электромагнитной составляющей тока, который при повышении сопротивления ротора увеличивается.

Короткозамкнутые двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками.

Двухклеточные двигатели – это двигатели, которые имеют две клетки с разным активным сопротивлением. Верхняя – пусковая, нижняя – рабочая.

При прохождении тока вокруг клеток, будут возникать поля рассеяния . При одинаковых токах

В начальный момент времени в связи с тем, что скольжение имеет наибольшее значение, ток будет протекать по верхней пусковой клетке и она будет обеспечивать электромагнитный момент.

По мере разгона двигателя, скольжение будет изменяться, что приведет к перераспределению тока (за счет изменения скольжения) и момент будет создаваться нижней рабочей клеткой.

Т.е запуск двигателя идет практически при постоянном максимальном моменте.

КПД у этих двигателей такое же, как у двигателей нормального исполнения, ниже, за счет повышенных полей рассеяния, плохое использование меди верхней обмотки.

Глубокопазный двигатель.

Глубокопазный двигатель – это двигатель, у которого

Искусственно разделили проводники.

Поскольку по проводнику протекает переменный ток, в нем будет индуктироваться ЭДС рассеяния.

потокосцепление проводника.

Из рисунка видно:

ЭДС рассеяния находится в противофазе с рабочей ЭДС .

- плотность тока.

Под действием ЭДС рассеяния ток будет вытесняться в верхнюю часть проводника и в пределе можно считать, что ток будет проходить только по верхней части проводников, т.е сечение проводников уменьшается, это приводит к увеличению его активного сопротивления, а индуктивное сопротивление уменьшается.

По мере разгона машины эффект вытеснения значительно уменьшается и, следовательно, происходит уменьшение активного сопротивления (ЭДС рассеяния зависит от частоты, а частота зависит от скорости ротора – скорость увеличивается, частота уменьшается, ЭДС уменьшается). Поскольку у этих двигателей критическое скольжение по мере пуска плавно перемещается в сторону малых скольжений и, следовательно, пуск проходит практически при максимальном пусковом моменте.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.

1. Скорость двигателя может регулироваться, путем изменения частоты питающей сети.

Для того, чтобы КПД, , перегрузочная способность до и после регулировки оставались постоянными, необходимо вместе с частотой регулировать напряжение и момент . Недостаток этого метода заключается в том, что необходимо дополнительное устройство – преобразователь частоты.

10 лекция.

2. За счет включения активного сопротивления в цепь якоря у двигателя с фазным ротором.

Недостаток: КПД понижается, диапазон регулирования зависит от тормозного момента (от нагрузки).

3. Изменение напряжения питающей сети.

Недостаток: малый диапазон регулирования.

4. Изменение числа пар полюсов.

Для изменения числа пар полюсов, необходимо взять обмотку, у которой фаза состоит из двух частей, имея направление тока в одной из них, мы изменяем число пар полюсов.

Существуют двух, трех, четырех скоростные двигатели. У двух скоростных двигателей имеется обмотка с переключением пар полюсов. У трех и четырех скоростных двигателей имеются две обмотки, уложенные в те же самые пазы, в трехскоростном двигателе одна обмотка с регулировкой пор полюсов, другая без регулировки.

В случае четырехскоростного двигателя, регулирование идет в обеих обмотках.

Этот способ применяется только в двигателях с короткозамкнутым ротором, т.к пришлось бы менять число пар полюсов и у ротора.

5. Наиболее распространенная промышленная система – это переключение со звезды на двойную звезду.

6. Импульсное регулирование.

Напряжение на обмотки подается в виде импульсов, меняя соотношение длительности паузы и включенного состояния, достигается необходимая частота вращения.

7. Путем введения добавочной ЭДС в цепь ротора.

Работа асинхронного двигателя при неноминальных условиях.

Частота сети может отклоняться от номинального значения, напряжение так же может откланяться от номинального значения и, если момент со стороны механизмов остается номинальным, то эти отклонения в большую или меньшую сторону приводят к увеличению потребляемого тока. Работа при неноминальной мощности характеризуется уменьшением пульсности и КПД.

1. Несимметрия сопротивления в обмотке ротора.

Несимметрия сопротивления ротора возможна в случае обрыва стержней беличьей клетки, либо плохого контакта щетка-кольцо у асинхронных машин с фазным ротором, при этом в кривой момента появляется провал при скольжении равном 0,5. И машина при запуске может не развить номинальной частоты, а работать на промежуточной скорости потребляет большие токи.

Двигатель будет устойчиво работать в точке а.

2. Несимметрия напряжений.

Несимметричную систему напряжений раскладывают на системы прямой, обратной и нулевой последовательности. Система нулевой последовательности не оказывает активного влияния на работу.

Система обратной последовательности создает обратно вращающиеся поля и соответственно тормозной момент, они снижают полезный момент на валу и создают добавочные потери в стали, все это требует снижения нагрузки двигателя.

3. Работа при несинусоидальном напряжении.

Раскладываем несинусоидальное напряжение на гармоники. Влияние высших гармоник эквивалентно увеличению индуктивных сопротивлений , это приводит к уменьшению, КПД, момента, даже при незначительном искажении кривой напряжения это слабо сказывается на работе двигателя.

Способы торможения электрических машин.

Существует три способа:

1)Режим противовключения.

2)Режим генераторного торможения.

3)Режим динамического торможения.

1- Режим противовключения

Включение большого напряжения приводит к уменьшению тока и электромагнитного момента, .

2 – Режим генераторного торможения характеризуется тем, что возможен только у двигателя с переключением пар полюсов, т.е двигатель работает в определенном режиме. Произведем переключение числа пар полюсов на большее значение, это приведет к снижению синхронной скорости, и ротор относительно новой синхронной скорости, будет иметь большую частоту вращения. Асинхронный двигатель переходит в режим асинхронного генератора, тогда электромагнитный момент будет тормозным.

3 – Режим динамического торможения. В этом случае обмотка статора отключается от сети. В одну или обе обмотки подается постоянный ток и двигатель работает в режиме генератора постоянного тока. При этом вся вырабатываемая мощность гасится в обмотке ротора – режим теплонапряженный, в этом случае зависимость выглядит таким образом:

Работа асинхронного двигателя при обрыве однойфазы.

При обрыве одной фазы вращающееся поле асинхронной машины превращается в пульсирующее, которое может быть разложено на два вращающихся в противоположные стороны поля с половинной амплитудой.

При обрыве одной фазы, двигатель продолжит вращаться в том же направлении, но ток увеличивается, а

11 лекция.

Влияние высших гармоник на работу асинхронного двигателя.

Высшие гармоники магнитного поля, имеющие пространственный период меньше , могут возникать в асинхронной машине вследствие не синусоидальной кривой МДС и вследствие зубчатости.

Рассмотрим высшую гармонику, передвигающуюся в направлении вращения ротора и созданную током статора, это поле наводит в замкнутой обмотке ротора ток соответствующей частоты, который в свою очередь создает магнитное поле, передвигающееся по поверхности ротора и вращающееся в воздушном зазоре синхронно с рассматриваемым полем статора.

Магнитные поля статора и ротора будут иметь одинаковый пространственный период и суммируясь создают вращающееся поле. Это поле, взаимодействуя с током ротора, создает вращающийся момент, который имеет природу асинхронного. Если ротор вращается медленнее соответствующей гармоники, то будет иметь место двигательный режим, и вращающийся момент будет направлен в сторону вращения ротора. Если ротор вращается быстрее поля, то возникает генераторный режим и момент будет тормозным, т.о. каждая высшая гармоника будет создавать соответствующий асинхронный момент, который будет складываться с моментом первой гармоники.

При скольжении 0,856 скорость ротора и поле седьмой гармоники двигаются с одинаковой скоростью, следовательно, момент электромагнитный, создаваемый седьмой гармоникой, будет равен 0.

Если скорость ротора будет меньше, чем , то момент будет двигательный, а если больше, то генераторный.

кривая момента от седьмой гармоники.

В точке А машина может застрять и устойчиво работать со скольжением , т.е машина не достигнет номинальных значений и будет работать с малой частотой и при больших токах.

И чтоб избавиться от этих гармоник, применяется укорочение шага обмотки.

Синхронный вращающий момент.

Не все высшие гармоники магнитного поля, созданные статором и ротором, сцепляются с обеими обмотками. Это особенно характерно для зубцовых гармоник. При определенных частотах вращения ротора отдельные гармоники поля статора могут двигаться синхронно с соответствующими гармониками поля ротора. Под действием магнитных сил в этом случае возникает механическое взаимодействие между статором и ротором, и образуется вращающийся момент, который может быть назван синхронным.

При опережении зубцовым полем статора поле ротора, возникает двигательный момент, при отставании и той же скорости вращения возникает тормозной момент.

Если синхронный момент при пуске достаточно велик, то машина может не достичь номинальной частоты вращения.

Синхронные моменты наиболее сильно проявляются при . Эти моменты могут быть полностью устранены путем скоса пазов и правильного соотношения .

Вибрационные силы, действующие на асинхронную машину.

Зубцовые и другие магнитные поля статора и ротора, образующие синхронный вращающийся момент проявляются не только при взаимно синхронном вращении, но и при любых других скоростях, в этом случае они образуют периодически вращающиеся моменты, которые в течение одного полупериода направлены в обратном направлении. Такие периодически меняющиеся моменты создают вибрации ротора и отдельных частей машины, эти явления становятся особенно заметными при наличии резонансных явлений. При неблагоприятных соотношениях зубцов статора и ротора могут возникать не только тангенциальные составляющие, но и радиальные магнитные силы, действующие на статор и ротор и перемещающиеся вдоль окружности воздушного зазора, при вращении ротора эти силы вызывают вибрацию машины. Шумы при работе асинхронных машин могут возникать вследствие механических и магнитных колебаний. Механические причины шума зависят от балансировки ротора, состояния подшипников и колебания вентилирующего воздуха в каналах охлаждения. Более неприятный шум, вызванный магнитными явлениями, связанными с наличием высших гармоник магнитного поля.

Стальные листы и отдельные ферромагнитные части машины, попадая в переменное магнитное поле зубцовой частоты, начинают колебаться, вызывая шум.

Рабочие характеристики асинхронных машин.

Рабочие характеристики – это зависимости от .

1)

По мере возрастания нагрузки нелинейность увеличивается.

2)

3) Характер КПД обусловлен присутствием потерь в меди, которые пропорциональны квадрату тока и заставляют уменьшаться КПД.

4) Векторная диаграмма асинхронного двигателя объясняет характеристику

Как видно из векторной диаграммы – по мере увеличения нагрузки угол будет уменьшаться, и следовательно будет увеличиваться

Однако по мере увеличения нагрузки также уменьшается .

Серии асинхронных машин.

1973г. – серия 4А.

1980г. – серия АИ и ее модификации.

1990г. – 5А, РА.

Настоящее время – 6А, 7А.

Специальные асинхронные машины.

1) Асинхронная машина с массивным ротором – ротор делается из цельной поковки. Это позволяет получить скорости от 10 до 10000 оборотов в минуту. Имеют низкий КПД и низкий .

2) Линейный двигатель.

3) Скользящие электромагнитные муфты.

4) Магнитогидродинамические машины переменного тока (МГД). Пример такой машины – индукционный насос для перекачки металла.

5) Поворотный трансформатор.

6) Преобразователь частоты.

12 лекция.

Синхронные машины.

Существует два типа синхронных машин: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами. Могут работать в двух режимах генератора:

1) Режим турбогенератора.

2) Режим гидрогенератора.

Режим турбогенератора соответствует тому случаю, когда синхронный генератор приводится во вращение паровой турбиной.

Режим гидрогенератора соответствует случаю, когда синхронный генератор приводится во вращение от гидротурбины. Этот режим мало скоростной.

Синхронная машина может работать в режиме двигателя, генератора, компенсатора.

Принцип действия синхронного генератора.

При вращении ротора в обмотке наводится ЭДС и создаются токи. Образуется поток реакции якоря, который вращается с частотой n₁, в противоположную сторону.

Недостаток такой системы состоит в том, что нагрузочный ток генератора снимается со щеток. Поэтому при больших мощностях перешли к обращенной конструкции, когда обмотка по которой протекает нагрузочный ток неподвижна, а вращаются полюса.

Если число пар полюсов меньше или равно 2, то применяется неявнополюсная конструкция ротора. Ротор делается из цельной поковки, из хромо-никелевой или хромо-никель-молибденовой стали.

В случае явнополюсной конструкции, сердечники полюсов делаются сборными, из листов конструкционной стали толщиной 1-2 мм.

Ротора турбогенераторов имеют конструкцию с радиальными и параллельными пазами: на рисунке 1) и 2) соответственно.

Частота и ЭДС связаны тем же самым соотношением:

частота ЭДС, которую генератор выдает в сеть.

скорость вращения ротора

Экономичнее турбо и гидрогенераторы, имеющие большую единичную мощность. Увеличение единичных мощностей идет за счет увеличения размеров генератора, однако в настоящее время мы подошли к размерам, которые нельзя больше увеличивать по механическим условиям диаметр ротора не может превышать 1,2-1,3 метра, т.к при больших диаметрах и частоте 3000 об/мин. Его будет разрывать, длина ротора 7,5-8,5 метров, больший размер не допустим, т.к возникают недопустимые вибрации ротора за счет его прогиба. Поэтому увеличение мощностей идет по пути охлаждения.

Турбогенератор с водородным охлаждением и избыточным давлением.

Применение водорода улучшает охлаждение. Дальнейшее улучшение охлаждения идет за счет охлаждения проводников обмотки статора водой, а ротора водородом.

Наиболее перспективно является криогенное охлаждение (обмотка возбуждения помещается в криостат и охлаждается жидким азотом) при низких температурах снижается активное сопротивление, что позволяет поднять плотность тока и мощность.

Холостой ход синхронного генератора.

Под действием полярности будут замыкаться магнитные потоки. Наряду с основным магнитным потоком будут протекать поля рассеяния.

У синхронных генераторов различают две основные оси: ось d и q.

Для того, чтобы не было высших гармоник в кривой выходного напряжения, стремимся к тому, чтобы кривая индукции была как можно ближе к синусоиде и воздушный зазор делают неравномерным: меньшим под центром полюса и большим по краям.

Реакция якоря синхронного генератора.

Влияние МДС якоря на поле главных полюсов называется реакцией якоря.

Если обозначить ЭДС, которая индуктируется в фазе статорной обмотки, ток статарной обмотки, угол между током и ЭДС, то возможны три случая нагрузки:

1. чисто активная нагрузка генератора.

2. чисто индуктивная нагрузка.

3. чисто емкостная нагрузка.

Рассмотрим первый случай:

совпадают по фазе(активная нагрузка).

Условно представляем проводник на два провода, и изображаем кружками, в одном ставим направление тока, в другом ЭДС.

Для любой из магнитно-силовых линий можно записать:

линейная нагрузка.

-число проводников, из которых состоит обмотка.

МДС, необходимая для проведения потока реакции якоря через один воздушный зазор:

МДС якоря.

Под действием МДС якоря будет происходить смещение кривой, относительно МДС воздушного зазора, максимум будет совпадать с центром межполюсного пространства.

Из произведенного построения следует, что МДС реакции якоря искажает кривую распределения индукции в воздушном зазоре, поскольку кривая результирующей МДС будет сдвинута относительно оси полюсов.

Так же как у машин постоянного тока, в случае, если магнитная система будет иметь определенное насыщение под действием реакции якоря, будет происходить уменьшение результирующего магнитного потока.

Рассмотрим второй случай:

Вся МДС якоря будет размагничена.

Когда нагрузка носит чисто индуктивный характер, МДС реакции якоря размагничивает магнитную систему.

В третьем случае, когда нагрузка носит чисто емкостной характер МДС реакции якоря подмагничивает магнитную систему.

Рассмотрим промежуточный вариант, когда угол отличен от .

В этом случае раскладываем ток на две составляющие .

создает МДС реакции якоря, максимум которой совпадает с центром полюса, т.е действует по продольной оси.

продольная составляющая тока.

поперечная составляющая тока.

13 лекция.

Индуктивное сопротивление реакции якоря неявнополюсной синхронной машины.

Допущение: магнитная система не насыщена, зубчатость отсутствует.

Эта кривая может быть разложена на нечетные гармоники.

коэффициент формы поля, создаваемый обмоткой возбуждения.

-отношение обмотанной части полюсного деления ко всему полюсному делению и в турбогенераторах он равен 0,67…0,68.

ток обмотки возбуждения.

При построении векторных диаграмм, необходимо выразить МДС реакции якоря в масштабе МДС обмотки возбуждения. МДС будут равны, если равны амплитуды первых гармоник индукции, создаваемых этими МДС, поскольку магнитные системы не насыщенны, можно найти эквивалентные значения из равенства амплитудных значений первых гармоник МДС.

коэффициент приведения МДС реакции якоря к МДС обмотки возбуждения.

Поток реакции якоря пересекает статарную обмотку и индуктирует в ней ЭДС, которая учитывается в виде падения напряжения в индуктивном сопротивлении, которое называется индуктивное сопротивление реакции якоря.

ЭДС, индуцируемая в фазе.

фиктивное сопротивление, которое вводится для оценки реально существующей ЭДС.

- воздушный зазор.

расчетная длинна машины.

коэффициент насыщения.

коэффициент воздушного зазора.

Индуктивное сопротивление реакции якоря в явнополюсной синхронной машине.

Для качественного изучения действия реакции якоря в машине с явно выраженными полюсами явление рассматривается так, как будто МДС возбуждения и МДС реакции якоря создают в генераторе самостоятельные магнитные потоки, индуктирующие в обмотке статора самостоятельные ЭДС. Это допустимо, т. к. при анализе считают, что магнитная система не насыщенна.

При исследовании этого вопроса применяется теория двух реакций, разработанная французским электротехником Блонделем, которая состоит в том, что после выделения основной волны МДС реакции якоря, мы разделяем ее на две составляющие по основным осям магнитной системы. На продольную – максимум которой совпадает с осью полюсов и поперечную – максимум которой совпадает с серединой пространства между полюсами. При таком рассмотрении, в случае измерения тока и угла будет изменяться только амплитуда соответствующей МДС, в то время как их положение относительно d и q остается неизменным. Поскольку каждая из составляющих не изменяет своего положения относительно оси полюсов, для каждой из них можно найти коэффициент, позволяющий выразить соответствующую МДС в масштабе МДС обмотки возбуждения.

Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси.

В том случае, если бы воздушный зазор был постоянным, то кривая распределения индукции тоже была бы синусоидальной. Реальная кривая будет иметь провалы. Кривая распределения индукции может быть разложена на гармоники.

коэффициент формы поля, создаваемого МДС реакции якоря по продольной оси.

Рассмотрим работу машины, когда

Рассмотрим контур аbсd.

В соответствии с законом полного тока: .

Рассмотрим ту же систему, когда МДС реакции якоря равна нулю.

коэффициент формы поля обмотки возбуждения.

Равенство МДС реакции якоря и МДС обмотки возбуждения будет в случае равенства индукций:

Исходя из этого, можно записать выражение для эквивалентной реакции якоря:

- МДС реакции якоря по продольной оси, выраженной в масштабе обмотки возбуждения.

коэффициент приведения МДС реакции якоря по продольной оси МДС обмотки возбуждения.

длина полюсного наконечника.

полюсное деление.

Зная конструкцию машины, можно рассчитатьи выразить МДС реакции якоря.

Поток, создаваемый продольной МДС реакции якоря, создает ЭДС в фазе статарной обмотки, которая учитывается в виде падения напряжения в индуктивном сопротивлении реакции якоря по продольной оси.

продольный ток.

коэффициент насыщения по продольной оси.

Индуктивное сопротивление реакции якоря по поречной оси.

По аналогии с ранее рассмотренным выражением:

коэффициент формы поля обмотки возбуждения.

коэффициент формы поля, создаваемый поперечной МДС реакции якоря по перечной оси.

коэффициент приведения МДС реакции якоря.

МДС реакции якоря по поперечной оси, выраженная в масштабе МДС обмотки возбуждения.

14 лекция.

МДС реакции якоря по перечной оси будет создавать соответствующий магнитный поток, который будет индуктировать в фазах обмотки ЭДС. Эта ЭДС (реальная) учитывается в виде падения в фиктивном индуктивном сопротивлении якоря по поперечной оси.

- индуктивное сопротивление реакции якоря по поперечной оси.

Если , то .

сопротивление магнитной цепи, по которой замыкается магнитный поток.

магнитное сопротивление по продольной оси меньше магнитного сопротивления по поперечной оси.

Если , следовательно, .

синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси.

синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси.

Векторные диаграммы трехфазного синхронного генератора при симметричной нагрузке.

Диаграмма напряжений позволяет определить процентное изменение напряжения синхронного генератора при сбросе нагрузки и понижении напряжения при переходе от холостого хода к работе под нагрузкой.

Решение этих задач необходимо при первоначальном расчете машины, для определения необходимой величины тока возбуждения при различных режимах работы (чтоб обеспечить количество напряжения), при испытании готовой машины, для решения вопросов о соответствии готовой машины техническим условиям на ее поставку. С помощью диаграмм напряжения можно исследовать режим работы, не производя непосредственной нагрузки. Для их построения нужна характеристика холостого хода и короткого замыкания, построение диаграмм можно производить без учета и с учетом насыщения. Второй путь более сложный, но дает более точные результаты. При построении по первому по первому способу (поскольку магнитная система ненасыщенна) каждая МДС рассматривается как существующая отдельно, создающая свой магнитный поток, который создает самостоятельную ЭДС. Сложив ЭДС, получаем результирующую ЭДС (напряжение генератора).

МДС реакции якоря.

фиктивная ЭДС.

ток статарной обмотки.

активное сопротивление статарной обмотки.

Векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора: ЭДС, которая индуцируется в фазе статора под действием результирующего реального магнитного потока в воздушном зазоре.

По аналогии рассмотрим векторную диаграмму явнополюсного синхронного генератора:

фиктивная ЭДС.

Диаграмма с учетом насыщения:

изменение напряжения генератора при сбросе нагрузки.

Диаграмма ЭДС при коротком замыкании.

Режим короткого замыкания явнополюсного трехфазного синхронного генератора – внешняя нагрузка отсутствует, ей служат обмотки самого генератора, носит активно- индуктивный характер.

Вследствие размагничивающего действия продольной МДС реакции якоря, т.е при коротком замыкании магнитная система будет ненасыщенна, поэтому характеристикалинейна.

15 лекция.

Явнополюсный синхронный генератор.