Принцип действия синхронных машин. Явление реакции якоря

Принцип действия генератора. Если обмотку возбуждения генератора подключить к источнику постоянного тока, то МДС обмотки будет создано основное магнитное поле, характеризуемое магнитным потоком Ф₀ и показанное на рис. 11.1, а с помощью двух линий магнитной индукции, изображенных пунктиром. При вращении ротора с помощью первичного двигателя магнитное поле будет также вращаться.

Так как катушки фаз обмотки якоря имеют одинаковые числа витков и смещены в пространстве относительно друг друга на 120°, то при вращении магнитного поля в трех фазах будут индуктироваться три ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга также на угол 120°. Чтобы при постоянной частоте вращения ЭДС изменялись по закону, близкому к синусоидальному, магнитная индукция вдоль воздушного зазора, разделяющего магнитопроводы статора и ротора, должна быть распределена также примерно по синусоидальному закону. В машинах с явновыраженными полюсами это достигается за счет неодинакового воздушного зазора между сердечником статора и полюсными наконечниками 4 (см. рис. 11.1, б), в машинах с неявновыраженными полюсами — за счет соответствующего распределения обмотки возбуждения по пазам сердечника статора.

Рис. 11.2. Векторная диаграмма ЭДС машины

Векторная диаграмма ЭДС генератора дана на рис. 11.2. Действующее значение и частота синусоидальной ЭДС, ин­дуктируемой в фазе обмотки якоря, могут быть определены, как и в асинхронном двигателе, по формулам

Е ₀ = 4,44 kwf Ф₀; (11,1)

f = рn /60. (11,2)

Для получения стандартной частоты 50 Гц при различных частотах вращения синхронные генераторы изготовляются с разными числами пар полюсов. Так, турбогенераторы изготовляются в большинстве случаев на частоту вращения 3000 об/мин и имеют одну пару полюсов (р = 1). Изготовление турбогенераторов на наименьшее число пар полюсов и соответственно на наибольшую частоту вращения позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость генераторов. Частота вращения гидрогенераторов определяется в основном высотой напора воды и для различных станций лежит в пределах от 50 до 750 об/мин, что соответствует числам пар полюсов от 60 до 4.

Если к обмотке якоря подключить приемник электрической энергии, то под действием ЭДС в фазах обмотки якоря и приемника появятся токи; генератор начнет отдавать приемнику электрическую энергию.

При работе генератора с нагрузкой МДС трехфазной обмотки якоря возбуждается вращающееся магнитное поле якоря, характеризуемое магнитным потоком Ф_я, частота вращения которого равна частоте вращения ротора, т. е. n ₀ = n = 60 f / р; взаимное расположение осей магнитных полей якоря и ротора при данной нагрузке генератора остается неизменным.

Под действием поля якоря результирующее поле генератора при изменении его нагрузки будет также изменяться, что оказывает влияние в конечном итоге на значение напряжения генератора. Воздействие поля якоря на результирующее поле машины называется реакцией якоря.

В результате взаимодействия магнитного потока Ф_яи проводников обмотки возбуждения (или полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора) на ротор действует электромагнитный момент, направленный у генератора против направления частоты вращения ротора и являющийся тормозящим.

Значение электромагнитного момента, интенсивность и характер действия реакции якоря зависят кроме значения тока якоря от характера сопротивления приемников. Объясняется это тем, что при изменении характера сопротивлений приемников изменяется взаимное расположение осей магнитных потоков Ф_я и Ф₀.

На рис. 11.3, а приведен эскиз упрощенной модели синхронной машины, на котором каждая фаза обмотки якоря заменена одним витком; ротор вращается с частотой вращения n под действием первичного двигателя; магнитное поле якоря изображено для случая, когда ток фазы ах имеет максимальное значение, вследствие чего ось КК' поля якоря Ф_яперпендикулярна плоскости катушки фазы ах; ось mm' магнитного поля ротора Ф₀ совпадает с осью КК' поля якоря, что соответствует случаю, при котором ЭДС фазы ах отстает от тока этой фазы на угол 90°. Последнее возможно при чисто емкостной нагрузке генератора, если не учитывать активного сопротивления фазы ах.

Нетрудно установить, что несмотря на наличие тока якоря и магнитного потока Ф_я при чисто емкостной нагрузке электромагнитный момент генератора равен нулю, под действием поля якоря генератор подмагничивается.

Рис. 11.3. К вопросу принципа действия и реакции якоря синхронных машин

Можно показать, что и при чисто индуктивной нагрузке генератора электромагнитный момент будет также равен нулю. Только в этом случае полем якоря генератор будет размагничиваться.

Если при тех же токах якоря нагрузка будет активно-емкостной, взаимное расположение осей магнитных потоков изменится: ось mm' магнитного потока ротора сместится на некоторый угол в направлении вращения ротора (рис. 11.3, б). Вследствие этого на ротор начнет действовать тормозящий электромагнитный момент М _эм, в чем легко убедиться с помощью правила левой руки (или рассмотрев взаимодействие полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора). Как видно, при активно-емкостной нагрузке поле якоря имеет составляющую, подмагничивающую генератор.

В случае активно-индуктивной нагрузки также возникает тормозной момент, а поле якоря размагничивает генератор.

Принцип действия двигателя. При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка якоря подключается к источнику трехфазного тока, в результате чего возникает вращающийся магнитный поток Ф_я. После разгона ротора до частоты вращения n, близкой к частоте вращения n ₀ поля якоря (см. § 11.10), его обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока и возникает магнитный поток Ф₀. Благодаря взаимодействию магнитного потока Ф_я и проводников обмотки ротора (или полюсов намагниченных сердечников якоря и ротора) возникает вращающий электромагнитный момент М _эм, действующий на ротор, и он втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться с частотой вращения, равной частоте вращения n ₀ магнитного поля якоря.

Положение оси mm' магнитного поля ротора относительно оси КК' поля якоря и значение момента М _эм зависят от нагрузки двигателя. Так, при работе двигателя в режиме идеального холостого хода ротор занимает положение, показанное на рис. 11.3, а, при котором электромагнитный момент М _эм равен нулю. Некоторой механической нагрузке двигателя соответствует положение ротора, изображенное на рис. 11,3, в, которому соответствует определенный вращающий момент М _эм.

Значение тока якоря, интенсивность и характер действия реакции якоря зависят при М _эм = const от значения ЭДС Е ₀, которая определяется значением тока возбуждения (см. § 11.10). Следует заметить только, что когда двигатель потребляет от источника только индуктивную или активно-индуктивную мощности, под действием поля якоря двигатель подмагничивается (рис. 11.3, а и в); в случае потребления емкостной или активно-емкостной мощности двигатель под действием поля якоря размагничивается.

Как и у других машин, у асинхронных машин электромагнитный момент незначительно отличается от момента, развиваемого машиной на валу. Поэтому для простоты анализа будем считать их в дальнейшем равными и обозначать М.

Существенной особенностью синхронного двигателя в отличие от асинхронного является то, что вращающий момент возникает у него в том случае, когда частота вращения ротора n равна частоте вращения n ₀ магнитного поля якоря. Объясняется это тем, что ток в обмотке возбуждения синхронного двигателя появляется не в результате электромагнитной индукции (как в обмотке ротора асинхронного двигателя), а вследствие питания обмотки возбуждения от постороннего источника постоянного тока.

Частота вращения магнитного поля якоря, а значит, и ротора синхронного двигателя определяется по формуле n ₀ = n = 60 f /р.

Для получения различных частот вращения синхронные двигатели изготовляют с различными числами полюсов. При частоте f = 50 Гц частоты вращения будут 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т. д.

Принцип действия синхронных компенсаторов рассматривается в § 11.10.