Магнитное поле возбуждения. Магнитное поле, созданное обмоткой возбуждения, характеризуется рядом коэффициентов, посредством которых реальное распределение индукции в воздушном зазоре приводится к синусоидальному. К числу этих коэффициентов относятся: коэффициент формы кривой поля возбуждения kв = Ввm1/Ввm–отношение амплитуды первой гармоники Ввm1 индукции поля возбуждения в воздушном зазоре к амплитуде Ввm действительного распределения этой индукции; коэффициент потока возбуждения kф = Ф/Фв – отношение потока Ф, созданного обмоткой возбуждения в воздушном зазоре, к потоку первой гармоники Фв этого поля (потоку взаимной индукции).

Определим эти коэффициенты для неявнополюсной и явнопо-люсной машин. На рис. 1.17, а, б показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для неявнополюсной машины. На одно полюсное деление ротора приходится значительное число пазов (20–40), поэтому можно принять, что распределение индукции в воздушном зазоре вдоль окружности якоря (сплошная линия) имеет трапецеидальный характер. Если рассматривать обмотку возбуждения как однофазную, распределенную на части γτ окружности ротора, то при указанном распределении индукции поля возбуждения получим для поля первой гармоники (штриховая линия)

Bвm1=4Bвmkр.в/π,                                          (1.4)

где  – коэффициент распределения для обмотки возбуждения; γ = Zв2/Z2 – коэффициент заполнения окружности ротора обмоткой возбуждения, равный отношению числа пазов ротора Zв2, заполненных проводниками обмотки, к полному числу Z2 пазовых делений ротора.

Следовательно, коэффициент формы кривой поля возбуждения

.                                (1.5)

Магнитный поток возбуждения

Ф=αδτliBвm                                                 (1.6)

Рис. 1.17 – Магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре

Неявнополюсной и явнополюсной машин

При трапецеидальном распределении индукции поток Ф можно считать состоящим из двух частей: потока Ф', соответствующего части (1 – γ)τ окружности ротора, незаполненной обмоткой, и потока Ф», соответствующего части γτ окружности ротора, в пазах которой уложена обмотка возбуждения:

Ф=Ф' +Ф'' =Bвm(1-γ)τli + 0,5Bвmγτli= Bвmτli(1-γ/2).                  (1.7)

Поток первой гармоники поля возбуждения

Фв=2Bвm1τli/π                                              (1.8)

Следовательно, коэффициент потока возбуждения

                           (1.9)

С учетом (1.7) расчетный коэффициент полюсного перекрытия

αi=Ф/(τli Bвm)=1-γ/2.                                   (1.10)

На рис. 1.17, в, г показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для явнополюсной машины.

При проектировании явнополюсных синхронных машин принимаются меры, чтобы кривая распределения поля возбуждения в воздушном зазоре (сплошная линия) приближалась к синусоиде (для этого воздушный зазор выполняют неравномерным), однако получить идеальное распределение не удается. Поэтому наряду с первой га-рмоникой (штриховая линия) имеется и ряд высших гармоник. Форма распределения магнитного поля и коэффициент kв зависят от коэффициента полюсной дуги αi = bр/τ и формы воздушного зазора, т.е. от отношений δмакс/δ и δ/τ. Обычно αi = 0, б5 ÷ 0,75; δмакс/δ = l ÷ 2,5 и δ/τ = 0,01 ÷ 0,05. При этих условиях kв = 0,90 ÷ l, 20.

Коэффициент магнитного потока kф также зависит от формы распределения магнитного поля и представляет собой отношение площадей, ограниченных рассматриваемыми кривыми. При указанных выше значениях bр/τ, δмакс/δ и δ/τ коэффициент kф = 0,92 ÷ 1,10.

С учетом (1.6) и (1.8) расчетный коэффициент полюсного перекрытия

αi=2kвkФ/π.                                                 (1.11)

1.5 Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция якоря

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки якоря подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени относительно друг друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n1, равной частоте вращения ротора n2. Следовательно, магнитные потоки якоря Фа и возбуждения Фв будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Фрез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. Fв обмотки возбуждения и м.д.с. Fа якоря. Однако в синхронной машине (в отличие от асинхронной) м.д.с. обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе.

Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле синхронной машины называют реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины м.д.с. обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и т.д. Рассмотрим, как проявляется реакция якоря при двух основных конструктивных формах синхронных машин – неявнополюсных и явнополюсных.

Неявнополюсная машина. В этой машине величина воздушного зазора между статором и ротором по всей окружности остается неизменной, поэтому результирующий магнитный поток машины Фрез и создаваемая им э.д.с. Е при любой нагрузке могут быть определены по характеристике холостого хода исходя из результирующей м.д.с. Fрез. Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Фрез может быть существенно упрощен, так как от сложения указанных м.д.с. можно перейти к непосредственному векторному сложению соответствующих потоков:

Фрез=Фв+Фа,

как это показано на рис. 1.18 и 1.19.

Рис. 1.18 – Реакция якоря в неявнополюсной машине при различных условиях нагрузки

При ψ= 0 (рис. 1.18, а и 1.19, а) ток в фазе А – X достигает максимума в момент времени, когда оси полюсов N и S совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармоник магнитных полей.

Кривая распределения индукции Ba = f(x) для двухполюсной машины будет смещена относительно кривой индукции Bв = f(x) в пространстве на 90°, т.е. поток якоря Фа действует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Фв (поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называют продольной и обозначают буквами d–d; ось, проходящую между полюсами, называют поперечной и обозначают q – q. Следовательно, при ψ = 0 поток якоря действует по поперечной оси машины, размагничивая одну половину каждого полюса и подмагничивая другую. Кривая распределения результирующей индукции Bрез = f(x) при этом сдвигается относительно кривой Bв = f(x) против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на временной векторной диаграмме, т.е. вектор  отстает от вектора потока возбуждения  на 90°. Вектор результирующего потока ; его модуль

При ψ = 90° (рис. 1.18, б и 1.19, б) ток в фазе А–X достигает максимума на 1/4 периода позднее момента, соответствующего максимуму э.д.с. Е0. За это время полюсы ротора перемещаются на 1/2 полюсного деления, вследствие чего кривая Ba = f(x) смещается относительно кривой Bв = f(x) на 180°. При этом поток якоря  действует по продольной оси машины против потока возбуждения ; результирующий поток  сильно уменьшается, вследствие чего уменьшается и э.д.с. якоря Ė. Таким образом, при ψ = 90° реакция якоря действует на машину размагничивающим образом.

При ψ = – 90° (рис. 1.18, в и 1.19, в) поток якоря также действует по продольной оси машины, но совпадает по направлению с потоком возбуждения. Следовательно, реакция якоря действует на машину подмагничивающим образом, увеличивая ее результирующий поток  и э.д.с. Ė.

Выводы, полученные при рассмотрении трех случаев нагрузки, можно распространить и на общий случай, когда –90° < ψ < 90°. При этом характерным является то, что отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагничивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагничивает ее.

Э.д.с. Е при работе генератора под нагрузкой можно рассматривать как сумму двух составляющих:

.                                                 (1.12)

Рис. 1.19 – Кривые распределения индукции в неявнополюсной машине и векторные диаграммы потоков и э. д. с. при различных углах ψ

Э.д.с. Еа пропорциональна потоку Фа, т.е. току 1а в обмотке якоря, поэтому ее можно рассматривать как э.д.с. самоиндукции, индуктированную в обмотке якоря, и представить в виде

,

где ха – индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком реакции якоря.

Явнополюсная машина. В этой машине воздушный зазор между статором и ротором не остается постоянным, так как он расширяется по направлению к краям полюсов и резко увеличивается в зоне междуполюсного пространства. По этой причине поток якоря здесь зависит не только от величины м.д.с. Fa якоря, но и от положения кривой распределения этой м.д.с. Fa = f (x) относительно полюсов ротора, так как одна и та же м.д.с. якоря в зависимости от ее пространственного положения создает различный магнитный поток. Так, например, при угле ψ = 0 (рис. 1.20, а), когда поток якоря направлен по поперечной оси машины, кривая распределения индукции Ba=Baq имеет седлообразную форму, хотя м.д.с. Fа якоря распределена синусоидально. При этом максимуму м.д.с. Fa соответствует небольшая индукция, так как магнитное сопротивление воздушного зазора максимально. При угле ψ = 90° (рис. 1.20, б), когда поток якоря направлен по продольной оси машины, кривая распределения индукции Ва = Bad расположена симметрично относительно оси полюсов. В этом случае индукция имеет большее значение, чем при ψ = 0, так как магнитное сопротивление воздушного зазора в данном месте невелико. Соответственно различные максимальные значения будут иметь и первые гармоники Bad1 и Ваq1 указанных кривых.

Рис. 1.20 – Кривые распределения м. д. с. реакции якоря и создаваемых ею индукций в явнополюсной машине

Чтобы избежать трудностей, связанных с изменением результирующего сопротивления воздушного зазора при различных режимах работы машины, при анализе работы явнополюсной синхронной машины следует использовать так называемый метод двух реакций. Согласно этому методу, м.д.с. Fa в общем случае представляют в виде суммы двух составляющих: продольной Fad = Fasinψ и поперечной Faq = Facosψ (рис. 1.21, а), причем Fa = Fad + Faq. Продольная составляющая Fad создает продольный поток якоря Фаd, индуктирующий в обмотке якоря э.д.с. Ead, а поперечная составляющая Faq – поперечный поток Фаq, индуктирующий э.д.с. Eaq, причем принимают, что эти потоки не оказывают влияния друг на друга. В соответствии с принятым методом ток якоря Iа, создающий м.д.с. Fа, также представляют в виде двух составляющих: продольной Id и поперечной Iq (рис. 1.21, б).

Рис. 1.21 – Разложение векторов м.д.с. и тока якоря на продольную и поперечную составляющие

Величину магнитных потоков Фаd и Фаq и индуктируемых ими э.д.с. Ead и Eaq можно определить по кривой намагничивания машины или по спрямленной характеристике (рис. 1.22). Однако кривая намагничивания строится для м.д.с. возбуждения Fв, имеющей не синусоидальное, а прямоугольное распределение вдоль, окружности якоря. Чтобы воспользоваться указанной кривой или спрямленной характеристикой, м.д.с. Fad и Faq следует привести к прямоугольной м.д.с. возбуждения Fв, т.е. найти их эквивалентные значения Fad' и Faq'.

Установление эквивалентных значений Fad' и Faq' производят на основании следующих соображений: м.д.с. Fad и Faq создают в воздушном зазоре машины индукции Bad и Ваq, распределенные вдоль окружности якоря так же, как и индукции, создаваемые м.д.с. Fа соответственно при углах ψ = 0 и ψ = 90о (см. рис. 1.20, а, б). Первые гармоники Bad1 и Baq1 кривых Bad = f(x) и Baq = f(x) образуют магнитные потоки

Фad=Fad/rм ad; Фaq= Faq/rм aq.

где rм ad и rм aq – магнитные сопротивления для соответствующих потоков, учитывающие не только форму воздушного зазора, но и синусоидальность кривой распределения м.д.с. Fad и Faq вдоль окружности якоря.

М.д.с. возбуждения создавала бы такие же потоки Фаd и Фаq при меньших величинах м.д.с. F'ad и F'aq:

; .

Рис. 1.22 – Векторная диаграмма потоков Фad и Фаq и э. д. с. Ead и Eaq (а) явнополюсной машины и их определение по характеристике холостого хода (б)

Из последних выражений можно найти коэффициенты реакции якоря kd и kq, характеризующие уменьшение эффективных значений м.д.с. якоря:

; .                            (1.13)

где rм.в–магнитное сопротивление для потока возбуждения, учитывающее форму воздушного зазора по продольной оси машины и прямоугольное распределение м.д.с. Fв вдоль окружности якоря. Чтобы определить коэффициенты kd и kq, необходимо знать, как распределяются вдоль окружности якоря индукции Bad и Baq, созданные продольной Fad и поперечной Faq составляющими м.д.с. якоря, и их первые гармоники Bad1 и Baq1. Для характеристики этого распределения используют коэффициенты формы поля реакции якоря по продольной kad и поперечной kaq осям, аналогичные по своей структуре коэффициенту формы поля обмотки возбуждения kв:

;                                          (1.14а)

где Badm1 и Baqm1–амплитуды первых гармоник реального распределения магнитной индукции; Badm и Baqm – максимальные значения индукций Bad и Baq вычисленные в предположении, что воздушный зазор между статором и ротором равномерный, равный его значению под серединой полюса.

Коэффициенты kad и kaq зависят от тех же параметров αi, δ/τ и δмакс/δ, что и коэффициент kв, причем (см. рис. 1.20) kaq < kad.

Из условий равенства первых гармоник индукций, созданных м.д.с. якоря F аd и эквивалентной ей м.д.с. возбуждения F'ad и соответственно Faq и F'aq, имеем kadFad = kвF'ad; kaqFaq = kвF'aq, откуда

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23