Основные элементы магнитной цепи синхронной машины

Магнитная цепь синхронной машины

В режиме х. х. синхронной машины, т. е. при от­сутствии тока Л в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения Fв0. Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ро­тора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают нерав­номерным, увеличивая его на краях полюсных на­конечников (см. рис. 6.2).

Основной магнитный поток явнополюсной син­хронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах (см. § 11.1), магнитная система явнополюсной синхронной маши­ны представляет собой разветвленную симметрич­ную магнитную цепь (рис. 20.1, а), состоящую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную магнитную цепь, содержащую одну пару полюсов (рис. 20.1, б). Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнит­ной цепи, проходит ряд участков (рис. 20.2): воз­душный зазор б, зубцовый слой статора hz1, зубцовый слой ротора hz2, полюс ротора hm, спинку ста­тора L1 и спинку ротора (обод) Lo6.

Сумма магнитных напряжений на всех перечис­ленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режи­ме х. х. (А):

FB0 = ∑ F = 2 Fδ + 2Fz1 + 2 Fz2 + 2 Fm + Fс1+Fo6,

где Fδ, Fz1, Fz2, Fm, Fс1 и Fo6 — соответственно маг­нитные напряжения зазора, зубцовых слоев статора и ротора, полюсов, спинки статора и обода, А.

Порядок расчета магнитных напряжений на уча­стках магнитной цепи в принципе такой же, как и при расчете магнитной цепи асинхронной машины

(см. гл. 11). При расчете магнитного напряжения полюсов и спинки ротора необходимо иметь в виду, что магнитный поток на этих участках несколько больше основного магнитного пото­ка Ф на величину потока рассеяния ротора Ф„, представляю­щего собой небольшую часть общего потока полюсов Фш, не про­ходящего через зазор б, замыкающегося в межполюсном про­странстве:

Фм = Ф+ Фσ = Ф(1 + Ф/ Фσ). = Фσm, (20.2)

где от—коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора.

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент

коэффициент магнитного насыщения сердечника статора син­хронной машины;

сумма магнитных напряжений в сердечнике статора и воздуш­ном зазоре, А.

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент магнит­ного рассеяния полюсов ротора

σm=1,1-14 в зависимости от степени магнитного насыщения магнитопровоДа машины и числа полюсов (с ростом числа полюсов 2р уменьшается межполюсное пространство ротора машины и магнитное рассеяние увеличива­ется). После расчета магнитной цепи синхронной машины строят магнитную характеристику машины, аналогичную представлен­ной на рис. 11.3. Используя МДС обмотки возбуждения в ре­жиме х. х. ∑F, путем дополнительных расчетов определяют МДС обмотки возбуждения при нагрузке Fв.н.. Обычно Fв.н.=( 2,0- 2,2 ) ∑F.

Полученное значение МДС Fв.н. позволяет рассчитать число витков в полюсной катушке ротора:

где Iв — ток в обмотке возбуждения синхронной машины, А.

Источник

Магнитная цепь синхронной машины

В режиме х.х. синхронной машины, т. е. при от­сутствии тока I₁ в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения F_в0. Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ротора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают неравно­мерным, увеличивая его на краях полюсных нако­нечников (см. рис. 6.2).

Основной магнитный поток явнополюсной син­хронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах (см. § 11.1), магнитная система явнополюсной синхронной ма­шины представляет собой разветвленную симмет­ричную магнитную систему (рис. 20.1, а), состоя­щую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную маг­нитную цепь, содержащую одну пару полюсов (рис. 20.1, б). Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков (рис. 20.2): воздушный зазор δ, зубцовый слой статора h_z1, зубцовый слой ротора h_z2, полюс ротора h_m, спинку ста­тора L₁ и спинку ротора (обод) L_об.

Сумма магнитных напряжений на всех перечис­ленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. (А):

где F_δ, F_z1, F_z2, F_m, F_с1 и F_o6 — соответственно маг­нитные напряжения зазора, зубцовых слоев статора и ротора, полюсов, спинки статора и обода, А.

Порядок расчета магнитных напряжений на уча­стках магнитной цепи в принципе такой же, как и при расчете магнитной цепи асинхронной машины (см. гл. 11). При расчете магнитного напряжения полюсов и спин­ки ротора необходимо иметь в виду, что магнитный поток на этих участках несколько больше основного магнитного потока Ф на величину потока рассеяния ротора Ф_σ представляющего собой небольшую часть общего потока полюсов Ф_m не проходящего че­рез зазор δ, замыкающегося в межполюсном пространстве:

где σ_m — коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора.

Рис. 20.1. Магнитная система явнополюсной синхрон­ной машины

Рис. 20.2. Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной машины

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент

— коэффициент магнитного насыщения сердечника статора синхронной машины;

— сумма магнитных напряжений в сердечнике статора и воздушном зазоре, А.

Полученное значение МДС F_в.н позволяет рассчитать число витков в полюсной катушке ротора:

где I_в — ток в обмотке возбуждения синхронной машины, А.

Источник

Магнитная цепь синхронной машины

Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов

В режиме х.х. синхронной машины, т. е. при от­сутствии тока I₁ в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения F_в0. Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ротора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают неравно­мерным, увеличивая его на краях полюсных нако­нечников (см. рис. 6.2).

Основной магнитный поток явнополюсной син­хронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах (см. § 11.1), магнитная система явнополюсной синхронной ма­шины представляет собой разветвленную симмет­ричную магнитную систему (рис. 20.1, а), состоя­щую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную маг­нитную цепь, содержащую одну пару полюсов (рис. 20.1, б). Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков (рис. 20.2): воздушный зазор δ, зубцовый слой статора h_z1, зубцовый слой ротора h_z2, полюс ротора h_m, спинку ста­тора L₁ и спинку ротора (обод) L_об.

Сумма магнитных напряжений на всех перечис­ленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. (А):

где F_δ, F_z1, F_z2, F_m, F_с1 и F_o6 — соответственно маг­нитные напряжения зазора, зубцовых слоев статора и ротора, полюсов, спинки статора и обода, А.

Порядок расчета магнитных напряжений на уча­стках магнитной цепи в принципе такой же, как и при расчете магнитной цепи асинхронной машины (см. гл. 11). При расчете магнитного напряжения полюсов и спин­ки ротора необходимо иметь в виду, что магнитный поток на этих участках несколько больше основного магнитного потока Ф на величину потока рассеяния ротора Ф_σ представляющего собой небольшую часть общего потока полюсов Ф_m не проходящего че­рез зазор δ, замыкающегося в межполюсном пространстве:

где σ_m — коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора.

Рис. 20.1. Магнитная система явнополюсной синхрон­ной машины

Рис. 20.2. Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной машины

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент

— коэффициент магнитного насыщения сердечника статора синхронной машины;

— сумма магнитных напряжений в сердечнике статора и воздушном зазоре, А.

Полученное значение МДС F_в.н позволяет рассчитать число витков в полюсной катушке ротора:

где I_в — ток в обмотке возбуждения синхронной машины, А.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство синхронных машин.

Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах.

Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора.

Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4).

При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой n_о магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

Выше отмечалось, что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где — угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив , получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; — число витков одной фазы обмотки статора; — число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения .

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и , которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .

Противодействующий момент и противо-ЭДС.

При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора.

В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент . В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя: .

Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора .

Реакция якоря в синхронной машине.

Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения , поэтому частота ЭДС и тока статора , где — число пар полюсов машины.

Частота вращения магнитного поля статора .

Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.

При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm₁ магнитного потока ротора Ф₀ перпендикулярна оси nn₁ катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а).

Магнитный поток статора Ф_я замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф₀ опережает ось потока статора Ф_я на электрический угол, равный 90 0 (поперечная реакция якоря).

При этом результирующий магнитный поток машины (ось qq₁) поворачивается относительно потока ротора Ф₀ на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.

При чисто индуктивной нагрузке X_L ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 90 0 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 90 0 по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ().

При емкостной нагрузке X_C ток в фазе статора опережает ЭДС на 90 0 и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 90 0 до оси mm₁ (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину ().

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.

Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой ). Изменение Ф_рез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора.

Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.

Источник