Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения

Синхронных машин

Магнитное поле и параметры

Обмотка возбуждения создает магнитный поток возбуждения синхронной машины, который сцепляется с обмоткой статора и индуктирует в ней ЭДС.

Явнополюсная машина. На рис. 2.1 изображена картина магнитного поля обмотки возбуждения в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины на протяжении одного полюсного деления. Вполне синусоидального распределения индукции достичь не удается и поле возбуждения (кривая 1 на рис. 2.1) можно разложить на основную (кривая 2) и высшие гармоники, которые индуктируют в обмотке статора основную и высшие гармоники ЭДС.

Высшие гармоники ЭДС довольно малы, так как малы соответствующие гармоники поля и, кроме того, выбором шага и числа пазов на полюс и фазу обмотки якоря достигается уменьшение высших гармоник ЭДС. Поэтому в теории синхронных машин учитывается только основная гармоника ЭДС якоря, соответственно, потоком взаимной индукции между индуктором и якорем считается поток основной гармоники поля возбуждения (кривая 2 на рис. 2.1, б).

Отношение амплитуды основной гармоники поля к действительному максимальному значению этого поля

(2.1)

называется коэффициентом формы кривой поля возбуждения. Величина коэффициента (рис. 2.1) зависит от отношений и и от коэффициента полюсной дуги

Обычно и .

МДС обмотки возбуждения на один полюс

, (2.2)

где – число витков всей обмотки возбуждения; – ток возбуждения.

Амплитуда основной гармоники поля возбуждения

(2.3)

где – коэффициент воздушного зазора; – коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси, то есть по оси полюсов. В общем случае размер зазора в пределах полюсного наконечника не постоянен, и значение принято рассчитывать для среднего расчетного зазора

.

На основании выражений (2.2) и (2.3)

. (2.4)

Поток основной гармоники поля возбуждения

,

или, согласно выражению (2.4),

. (2.5)

Потокосцепление потока с фазной обмотки якоря, когда ось этой фазы совпадает с продольной осью полюсов машины,

. (2.6)

При повороте ротора относительно фазы обмотки статора потокосцепление потока возбуждения с этой обмоткой изменяется по синусоидальному закону, следовательно, взаимная индуктивность обмотки возбуждения с фазой обмотки статора изменяется по такому же закону. Амплитуда этой индуктивности на основании выражений (2.5) и (2.6) равна

,

. (2.7)

При вращении ротора с угловой частотой

потокосцепление потока основной гармоники поля возбуждения с фазой обмотки якоря изменяется по закону

,

при этом в якоре индуцируется ЭДС

Амплитуда и действующее значение этой ЭДС вычисляются по формулам:

(2.8)

где (2.9)

есть сопротивление взаимной индукции обмотки возбуждения с обмоткой якоря.

Согласно выражению (2.7), амплитуда зависит от насыщения магнитной цепи, и ее значение в соответствии с (2.8),(2.9) можно определить с помощью характеристики холостого хода по формуле

.

Индуктивные параметры обмотки возбуждения вычисляются по реальному значению потока в воздушном зазоре , определяемому выражением

= , (2.10)

где – коэффициент формы потока, определяемый по реальной картине магнитного поля в зазоре.

Значение определяется конфигурацией пространства воздушного зазора.

Собственная индуктивность обмотки возбуждения от поля воздушного зазора

согласно выражению (2.10, определяется соотношением

= .

Кроме поля в воздушном зазоре обмотка возбуждения создает поток рассеяния в междуполюсном пространстве (рис. 2.2) и поток рассеяния лобовых частей . Поток можно приближенно рассчитывать также, как поток пазового рассеяния.

Потокам и соответствуют индуктивности рассеяния паза, а также индуктивности рассеяния обмотки возбуждения и , формулы расчета которых приводятся в руководствах по проектированию электрических машин. В соответствии с этим полная индуктивность обмотки возбуждения

.

Реальный поток возбуждения в зазоре (см. рис. 2.1, кривая 1) сцепляется с обмоткой возбуждения полностью, а при создании потокосцепления с обмоткой якоря во внимание принимается только его основная гармоника (см. рис. 2.1, кривая 2). Это обстоятельство, а также различный характер пространственного распределения обмоток возбуждения и якоря обусловливают наличие дифференциального рассеяния обмотки возбуждения, и индуктивность этого рассеяния является составляющей величины

В установившемся режиме работы , и поэтому ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения

.

Однако в переходных режимах

Активное сопротивление обмотки возбуждения нетрудно вычислить по известным обмоточным данным (число витков, их сечение и длина).

Неявнополюсная машина. Обмотка возбуждения неявнополюсной машины располагается на большей части окружности ротора, составляющей зону малых зубцов, а остальная, меньшая, часть, остающаяся необмотанной, составляет зону большого зубца. На рис. 2.3, а представлена картина магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре неявнополюсной машины на протяжении полюсного деления. В этих машинах ширина открытия паза по сравнению с величиной зазора относительно невелика, а число пазов ротора велико ( Поэтому влияние пазов также невелико и можно принять, что кривая распределения индукции поля возбуждения вдоль зазора имеет вид трапеции (кривая 1 на рис. 2.3, б). Отношение обмотанной части полюса ко всему полюсному делению лежит обычно в пределах =0,67 0,8.

Обозначим пространственную угловую координату вдоль воздушного зазора через

Разлагая трапецеидальную кривую МДС возбуждения согласно рис. 2.3 в ряд Фурье, при расположении начала координат против центра большого зубца получим:

…,

причём амплитуда -й гармонической будет

Произведя интегрирование и учитывая, что - нечётное число, получим:

(2.11)

При этом представляет собой МДС обмотки возбуждения на один полюс:

где ток возбуждения и число витков на полюс.

Для основной гармонической из выражения (2.11) получим:

,

где коэффициент

(2.12)

в соответствии с (2.1) называется коэффициентом формы поля возбуждения, который определяет отношение амплитуды индукции основной волны поля возбуждения к действительному максимальному значению индукции поля возбуждения.

Наименьшее относительное содержание гармонических получается при =0,75, поэтому обычно в турбогенераторах стараются выбрать около указанного значения.

Обмотку возбуждения неявнополюсной машины можно также рассматривать как распределенную однофазную обмотку с полным шагом. Коэффициент распределения или обмоточный коэффициент этой обмотки

.

Максимальная индукция поля возбуждения (рис. 2.3, б)

Амплитуду основной гармоники обмотки возбуждения найдем по формуле для амплитуды первой гармоники фазы обмотки

если положим в ней .

Таким образом, амплитуда основной гармоники поля возбуждения

Найдем коэффициент формы поля возбуждения неявнополюсной машины:

.

Эта формула точно такая же как (2.12).

Дата добавления: 2014-11-29