close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

227.Синхронные машины.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.Н. МЕЩЕРЯКОВ, Д.И. ШИШЛИН
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Часть первая
Учебное пособие
N
2
1
N
3
_
+
S
S
+
_
S
N
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.Н. МЕЩЕРЯКОВ, Д.И. ШИШЛИН
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Часть первая
Учебное пособие
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.Н. МЕЩЕРЯКОВ, Д.И. ШИШЛИН
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Часть первая
Учебное пособие
Утверждаю
Проректор по учебной работе
Объем 3.8 п.л
_________Ю.П. Качановский
Тираж 100 экз.
«___» ______________ 2013
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.Н. МЕЩЕРЯКОВ, Д.И. ШИШЛИН
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Часть первая
Учебное пособие
Составители
В.Н.Мещеряков
Д.И.Шишлин
Зав. кафедрой электропривода
В.Н. Мещеряков
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.391.14
М 565
Рецензенты: кафедра Электроэнергетические системы и сети Липецкого
филиала Воронежского государственного технического университета;
Шиянов А.И., д-р техн. наук, проф.
Мещеряков, В.Н.
М 565 Синхронные машины [Текст]: учеб. пособие / В.Н. Мещеряков,
Д.И. Шишлин. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. – 59 с.
ISBN
В учебном пособии рассматриваются существующие типы синхронных
электрических машин, способы их управления, математическое описание
синхронных двигателей в динамических режимах. Основное внимание уделено
синхронным электрическим машинам общепромышленного назначения.
Учебное пособие предназначено для студентов направления
«Электроэнергетика и электротехника», может быть полезно инженерам, чья
деятельность связана с наладочными операциями по электрооборудованию, а
также с эксплуатацией синхронных машин.
УДК 621.391.14
М 565
Печатается по решению редакционно-издательского совета ЛГТУ
ISBN
© Мещеряков В.Н., Шишлин Д.И.
© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный
технический университет», 2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………...……. 4
1. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ…………………………………………………..... 5
1.1. Принцип действия и устройство синхронных машин..…………..…….. 5
1.2. Реакция якоря синхронных машин……………………….….…….……. 9
2. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ …………………………………………….... 14
2.1. Векторные диаграммы синхронного генератора.……………….…...... 14
2.2. Характеристики синхронного генератора.…………………….………. 17
2.3. Определение индуктивных сопротивлений синхронной
машины………………………………………….............................................. 22
2.4. Построение диаграммы Потье.…..………………………….…….…..... 26
2.5. Мощность и электромагнитный момент синхронной машины.…….... 28
2.6. Статическая устойчивость и перегрузочная способность
синхронной машины..…………………………………………………….….. 32
2.7. Режимы работы синхронного генератора при параллельной работе
с сетью. U – образные характеристики синхронного генератора….……… 36
3. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ…………………………………………...….....39
3.1. Векторные диаграммы синхронного двигателя ………………………..39
3.2. Пуск синхронных двигателей. Рабочие характеристики…………........43
3.3. Регулирование частоты вращения синхронных двигателей……….......49
3.4. Математическая модель явнополюсного синхронного двигателя
с демпферной обмоткой………………………………………………….…...55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………………….………59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Синхронные машины используют преимущественно в качестве
источников электрической энергии переменного тока. Синхронные генераторы
установлены на электрических станциях различных типов, на передвижных
электростанциях, транспортных установках. Они вырабатывают более 90% всей
электроэнергии. Конструкция генераторов определяется типом их привода, и в
зависимости от этого различают турбогенераторы (приводятся во вращение
паровыми или газовыми турбинами), гидрогенераторы (работают от
гидротурбин), дизель-генераторы (приводным является дизельный двигатель
или двигатель внутреннего сгорания) [1]. Турбо- и гидрогенераторы
изготавливаются на мощности до нескольких сотен мегаватт и на напряжение
до 30кВ [2, 9].
Синхронные машины мощностью от 100 кВт и выше используются в
качестве двигателей в электроприводах промышленных установок, где
необходимо поддержание постоянной скорости независимо от нагрузки на валу
(прокатные станы, насосы, компрессоры, вентиляторы). Синхронные
микродвигатели применяются в системах автоматики (шаговые, реактивные,
гистерезисные и др.) [9]. Синхронные машины используются также в качестве
компенсаторов для генерирования или потребления реактивной мощности в
системах электроснабжения для повышения коэффициента мощности
промышленных установок и поддержания нормального уровня напряжения в
сети. Возможность влияния на энергетические показатели цеха или
предприятия делает целесообразным применение крупных синхронных машин
на промышленных установках. Синхронные машины выпускаются сериями
различного конструктивного исполнения, габаритных размеров, мощности и
частот вращения, мест установки, условий эксплуатации и т.д.
В данном учебном пособии рассмотрены синхронные генераторы и
двигатели.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
1.1. Принцип действия и устройство синхронных машин
Трехфазная синхронная машина обычно имеет неподвижный статор и вращающийся ротор. Электромагни тная
схема синхронной машины показана на рис. 1.1. На статоре 1 расположена трехфазная обмотка, аналогичная по
конструкции обмотке асинхронных машин. На роторе расположен электромагнит 2, состоящий из сердечника и
обмотки возбуждения 4, которая получает питание от источника постоянного тока посредством контактных колец и
щеток. Ротор синхронной машины является индуктором, а статор – якорем. В генераторном режиме индуктор
n2 , вместе с ним вращается магнитный поток машины Фв , который пересекает
проводники обмотки якоря и индуцирует в них трехфазную эдс Ea . Эдс якоря Ea меняется с частотой f1 ,
вращается со скоростью
определяемой по формуле [1]:
f1 
pn2
.
60
(1.1)
Рис. 1.1. Электромагнитная схема синхронной машины
При подключении обмотки якоря к какой-либо нагрузке в ней под действием
эдс Ea возникает ток I a , который создает вращающееся магнитное поле,
характеризующееся потоком Фа , частота вращения которого равна
n1 
60 f1 .
p
(1.2)
n2 и поля статора n1 равны. Результирующий магнитный
поток Ф создается потоками Фв и Фа . Магнитное поле потока Ф вращается в зазоре машины с той же
Частоты вращения ротора синхронной машины
частотой, что и ротор. В двигательном режиме с включением обмотки якоря в трехфазную сеть
возникающий в ней ток
I a создает круговое поле. Оно вращается с частотой n1 при частоте тока f1 .
Обмотка возбуждения в свою очередь создает поле полюсов, которое вращается синхронно с ротором и
является неподвижным относительно поля статора. Частота вращения ротора находится в стр огой
зависимости от частоты тока сети. Она равна частоте вращения магнитного поля статора. Взаимодействие
потока
Ф
с током
I в в обмотке возбуждения приводит к образованию электромагнитных сил и момента
M , который является тормозным в генераторном режиме и движущим в режиме двигателя
[9].
Статор синхронной машины по конструкции принципиально не отличае тся от статора асинхронной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
машины. Конструкция ротора определяется областью применения машины и способом ее возбуждения. В
машинах малой мощности используют постоянные магниты, а в машинах большой мощности во збуждение
осуществляется постоянным током.
Рис. 1.2. Конструкции роторов синхронных машин: а – явнополюсная; б – неявнополюсная
Существуют явнополюсное и неявнополюсное исполнения ротора синхронных машин (рис. 1.2).
Явнополюсные роторы выполняются в машинах с числом полюсов четыре и более. Северные и южные
полюсы чередуются. На сердечниках полюсов 1 размещают обмотку возбуждения в виде цилиндрических
катушек 3. Они укрепляют с помощью полюсных наконечников 2. Полю сные наконечники имеют такой
профиль, при котором воздушный зазор между наконечником и статором получается минимальным под
серединой полюса и максимальным у его краев. Благодаря такому исполнению полюсного наконечника
индукция магнитного поля в зазоре меняется практически по синусо идальному закону. Ротор, сердечники
полюсов и полюсные наконечники изготавливают из листовой стали [9].
Синхронные машины с явнополюсными роторами конструируют тихоходными по условиям обеспечения
необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. На полюсных наконечниках
синхронных двигателей размещают обмотку типа «беличья клетка» (рис. 1.3), которая называется пусковой и
изготавливается из латуни для повышения сопротивления. В синхронных генераторах аналогичная обмотка
изготавливается из меди. Она называется успокоительной или демпферной. Такая обмотка обеспечивает затухание
колебаний ротора, которые возникают в переходных режимах работы машины [2].
Рис. 1.3. Устройство пусковой (демпферной) обмотки синхронной машины: 1 – полюсы ротора;
2 – короткозамкнутые кольца; 3 – стержни «беличьей клетки»; 4 – полюсные наконечники
Неявнополюсные роторы выполняются в машинах с двумя или четырьмя полюсами. Обмотка возбуждения
размещается в пазах сердечника ротора и закрепляется немагнитными клиньями. При пуске и в переходных
режимах в массивных полюсах возникают вихревые токи, действие которых э квивалентно действию тока в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
короткозамкнутой обмотке.
Питание обмотки возбуждения синхронных машин проводится от независимого источника или посредством
самовозбуждения. При независимом возбуждении обмотка ротора получает питание от генератора постоянного
тока (возбудителя), находящегося на одном валу с генератором, или от управляемого вентильного преобразователя,
который запитан от отдельной сети. Самовозбуждение происходит за счет остато чного потока в магнитной системе
машины и питания обмотки ротора от обмотки якоря через управляемый преобразователь. Мощность,
затрачиваемая на возбуждение, составляет 0,3-3% от мощности синхронной машины. Причем, чем машина мощнее,
тем эта доля меньше. Системы возбуждения автоматизированы, к ним предъявляются повышенные требования в
отношении надежности функционирования. В современных синхронных генераторах применяется бесконтактная
система возбуждения, при которой отсутствуют контактные кольца на роторе [2].
Рис. 1.4. Общий вид роторов турбогенераторов: 1 – контактные кольца;
2 – кольцевые бандажи; 3 – ротор; 4 – металлические клинья; 5 – вентилятор; 6 – вал;
7 – обмотка возбуждения; 8 – полюсы; 9 – пусковая обмотка
Явнополюсные турбогенераторы приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми
турбинами. Роторы турбогенераторов преимущественно двухполюсные (рис. 1.4, а). Их максимальная
частота вращения 3000 об/мин. Это позволяет уменьшить габариты и массу машины, а также используемой
паровой турбины. Увеличение количества полюсов на роторе приводит к увеличению его диаметра (рис. 1.4,
2 раз в четырехполюсной машине, а также к снижению частоты вращения при
б), примерно в
одинаковой мощности. Турбогенераторы выполнены с горизонтальным расположением ротора. При
мощности до 30 МВт они имеют поверхностное или косвенное (обдув) воздушное охлаждение, а в случае
больших мощностей – косвенное водородное.
Рис. 1.5. Выполнение внутренних каналов в обмотках статора (а) и ротора (б, в) в
турбогенераторах с непосредственным охлаждением: 1 – пазовая изоляция; 2 – полые проводники; 3 – каналы для
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прохода охлаждающего вещества; 4 – изоляционные прокладки;
5 – клин; 6 – канал для забора и выброса охлаждающего газа из зазора между ротором и статором
Гидрогенераторы приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турби нами, имеют
явнополюсные роторы большого диаметра преимущественно вертикального испо лнения [9].
1.2. Реакция якоря синхронных машин
В режиме холостого хода в синхронном генераторе имеет место только магнитный поток индуктора
создаваемый магнитодвижущей силой обмотки возбуждения
Fв . При подключении
Фв ,
нагрузки протекающий по
I а образует магнитодвижущую силу Fа . Она создает магнитный поток якоря Фа . Поток Фа
с потоком Фв образуют результирующий поток генератора Ф . Воздействие магнитодвижущей силы
обмотке якоря ток
совместно
якоря на магнитное поле синхронной машины называется реакцией якоря. Изменение результирующего потока в
машине, а также конструктивные особенности приводят к изменению напряжения на ее зажимах при работе на
автономную нагрузку. Действие реакции якоря существенно зависит от характера нагрузки. Оно может искажать,
ослаблять и усиливать поле машины.
Рассмотрим влияние реакции якоря на рабочие свойства синхронной м ашины для различных углов сдвига фаз
между эдс
E0 на холостом ходу и током I а в обмотке якоря. Угол
определяется характером нагрузки. На
рис. 1.6 обмотка каждой фазы представлена в виде одного витка. В случае активной нагрузки
совпадает по фазе с эдс


 0  ток I а
E0 . При заданной полярности и заданном направлении вращения индуктора амплитудное
значение эдс имеет место в фазе А при положении индуктора, показанном на рис. 1.6, а. Магнитодвижущая сила
индуктора
Fв направлена по оси полюсов, а магнитодвижущая сила Fа
является поперечной и искажает
магнитное поле синхронной машины. Индуктивной нагрузка вызывает отставание тока
угол
Iа
по фазе от эдс
E0
на
   / 2 . Эдс в фазе А имеет максимальное значение при положении индуктора, показанном на рис. 1.6, а.
К тому времени, когда ток в фазе А достигает амплитудного значения, индуктор успевает повернуться на
900 эл
и занять положение на рис. 1.6, б. Магнитодвижущие силы индуктора
направлены встречно, сила
При емкостной нагрузке ток
Fа
Iа
Fв
и якоря
является в данном случае продольно размагничивающей.
опережает по фазе на угол 
  /2.
Fа
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
A
A
Y
Z
A
Y
Z
Y
Z
N
Fа
Fв
Fа
Fв
S
n2
S
C
Fв Fа
N
n2
B
C
C
B
X
X
а
n2
B
X
б
Рис. 1.6. Действие магнитодвижущей силы реакции якоря
S
N
в
Fа
на магнитное поле машины при: а – активной; б
– индуктивной; в – емкостной нагрузках
Максимальное значение эдс в фазе А определяется положением индуктора рис. 1.6, а. Ток в фазе А достигает
Fв
амплитудного значения, когда положение индуктора соответствует рис. 1.6, в. Магнитодвижущие силы индуктора
и якоря
Fа направлены
Fа
согласно, а сила
является в данном случае продольно намагничивающей.
Нагрузка синхронных генераторов в большинстве случаев носит активно -индуктивный характер
(
0  

2
t
). В момент времени m ток в фазе А достигает амплитудного значения, а индуктор
относительно положения рис. 1.6, а успевает повернуться на угол

.
Для анализа работы синхронных машин с явнополюсным ротором в ра зличных режимах вводят продольную
d
q оси и используют так называемый метод двух реакций. Этот метод предложен А.
Блонделем. Магнитодвижущая сила якоря Fа представляется в виде двух составляющих.
и поперечную
Они действуют по осям
d иq
(рис. 1.7).
Fа  Fаd  Fаq ,
где
(1.3)
Fаd  Fa sin , Fаq  Fa cos .
Магнитодвижущие силы
потоки
Fаd и Fаq создаются составляющими тока якоря I аd и I аq . Они образуют
Фаd и Фаq . Эти потоки наводят эдс Eаd и Eаq . Векторная диаграмма потоков и эдс машины
представлена на рис. 1.8. Эдс явнополюсного синхронного генератора, работающего под нагру зкой,
E  E0  Eаd  Eаq .
(1.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
E
Эдс
неявнополюсного синхронного генератора, работающего под нагрузкой, в котором разложение
величин по осям
d и q не проводится из-за одинакового зазора между статором и ротором, определяется
выражением
E  E0  Eа ,
где
(1.5)
Eа – эдс, наводимая магнитодвижущей силой Fа .
Рис. 1.7. Действие магнитодвижущей силы реакции якоря
Fа
на магнитное поле машины при активно-
индуктивной нагрузке
Вектор
F
представляет результирующую магнитодвижущую силу, наводящую эдс
синхронной машины под нагрузкой. Вектор
F
E
при работе
для явнополюсных и неявнополюсных машин определяется
выражениями
F  F0  Fаd  Fаq ;
F  F0  Fа .

(1.6)
(1.7)
d и вектором результирующей намагничивающей силы F называется
углом нагрузки. От величины угла  зависят электромагнитный момент M и активная мощность P
Угол
между продольной осью
синхронной машины.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.8. Векторная диаграмма потоков и эдс явнополюсного синхронного генератора
Индуктор (ротор) явнополюсной машины имеет магнитную несимме трию, поскольку сопротивление
магнитному потоку по осям
d иq
неодинаково. Сопротивление магнитному потоку по оси q значительно
больше магнитного сопротивления потоку по оси d. Поэтому вводятся понятия индуктивных сопротивлений
продольной
xad
и поперечной
xaq
случае считается, что сопротивление
реакции якоря. Магнитная цепь по оси q ненасыщенна. В данном
xaq является постоянным. Величина xad
не является постоянной
вследствие малого воздушного зазора, поскольку зависит от насыщения магнитной цепи. Индуктивные
сопротивления по осям d и q, соответственно, с учетом индуктивного сопротивления рассеивания обмо тки
статора
x
будут равны
xd  xad  x ; xq  xaq  x .
В неявнополюсной машине воздушный зазор равномерный, поэтому можно полагать, что
(1.8)
xad  xaq
и
xd  xq .
2.СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
2.1. Векторные диаграммы синхронного генератора
Анализ работы синхронных генераторов подразделяется на качественный и количественный. В обоих
случаях часто используют векторные диаграммы А. Блонделя. При качественном анализе работы
применяются упрощенные диаграммы. Они строятся для ненасыщенных машин. Количественный анализ
требует уточненных диаграмм [9]. Для цепи якоря неявнополюсного синхронного генер атора имеет место
уравнение:
U a  E  E  I a ra  E  jI a x  I a ra ,
где
E
– эдс, наводимая в обмотке якоря потоком рассеяния;
(2.1)
x – индуктивное сопротивление,
обусловленное этим потоком.
Выражение (2.1) с учетом (1.5) примет вид:
U a  E0  Eа  jI a x  I a ra  E0  jI a xa  jI a x  I a ra .
(2.2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Eа представляет эдс самоиндукции, индуцируемая в обмотке якоря. Она проявляется
при отсутствии насыщения магнитопровода и пропорциональная току I a . Анализ работы ненасыщенной
В выражении (2.2)
синхронной машины допускается проводить с помощью упрощенной векторной диаграммы (рис. 2.1),
xc  xa  x называется полным или синхронным
индуктивным сопротивлением машины. Величина эдс E0 получается несколько завышенной без учета
которая строится исходя из (2.2). Величина
насыщения. Точная векторная диаграмма синхронного неявнополюсного генератора, называемая
диаграммой Потье, строится с учетом насыщения магнитной цепи машины при ее испытаниях.
Рис. 2.1. Упрощенная векторная диаграмма синхронного неявнополюсного
При работе машины в генераторном режиме напряжение

U a всегда отстает от эдс E0 . В этом случае угол
считается положительным. Чем больше нагрузка генератора, т.е. отдаваемая им мощность, тем больше
угол
.
Уравнение (2.1) с учетом (1.4) принимает вид:
U a  E  E  I a ra  E0  Eаd  Eаq  jI a x  I a ra ,
где
(2.3)
Eаd   jI ad xad ; Eаq   jI aq xaq .
Упрощенная векторная диаграмма (рис. 2.2, а) явнополюсного синхронного генератора строится исходя из
(2.3) [9]. Сопротивления
xd и xq , определяемые из (1.8),
называются синхронными (полными)
индуктивными сопротивлениями обмотки якоря по продольной d и поперечной q осям. Эдс
E ,
индуцируемую в обмотке якоря потоком рассеяния, можно представить в виде су ммы двух составляющих,
ориентированных по осям d и q:
E  E d  E q   jI ad x  jI aq x .
Выражение (2.3) с учетом (1.8) и (2.4) примет вид:
(2.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
U a  E0  jI ad xd  jI aq xq  I a ra  E0  Ed  Eq  I a ra .
(2.5)
Упрощенная векторная диаграмма (рис. 2.2, б) явнополюсного синхронного генератора может быть
построена на основании (2.5). В условиях эксплуатации известны следующие паспортные данные
U a , I a , cos , ra , xd и xq .
синхронного генератора:
q
q
E0
E0 E
ad
Ed
Eaq
E
E
 ra I a
 ra I a
Ua
I aq
Eq

Ua
Ia
I aq





Ia
d
d
I ad
I ad
На
(рис.
а
б
2.3,
а)
Рис. 2.2. Упрощенные векторные диаграммы синхронного явнополюсного
пока
генератора
зана
диаг
рамма, выполненная по (2.5) с дополнительными построениями. В треугольнике abc отрезок bc представлен
в масштабе напряжения. Он равен
 jI ad xq . Гипотенуза ca определяется как:
 jI ad xq  jI aq xq   jxq  I ad  I aq    jxq I a .
Из (2.6) вытекает практический способ построения упрощенной векторной диаграммы (рис. 2.3, б)
синхронного явнополюсного генератора. Последовательность действий пронумерована. На плоскости
произвольно откладывают вектор
U a . Под углом 
I a . Откладывают
ra I a и строят  jxq I a . Таким
строят вектор тока нагрузки
вектора падения напряжения на активном сопротивлении статора
способом устанавливается точка c, затем проводится прямая через точки 0 и c, которая является осью q.
Перпендикулярно q проводится ось d. Диаграмма достраивается согласно (2.6) [1].
(2.6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.3. Практический метод построения упрощенной векторной диаграммы синхронного
явнополюсного генератора
2.2. Характеристики синхронного генератора
Работа синхронных машин оценивается по различным характеристикам, которые служат для определения
параметров, необходимых для эксплуатации и при испытаниях. Характеристики получают экспериментальным или расчетным путем. Затем сравниваются с характеристиками заводов-изготовителей, результатами
предыдущих испытаний, результатами испытаний машин той же серии [11]. Программа приемо-сдаточных
испытаний синхронных машин предусматривает построение следующих характер истик [6].
2.2.1. Характеристика холостого хода представляет кривую намагничивания, являющуюся частью петли
гистерезиса (рис. 2.4) и выражающую зависимость эдс
Характеристику
E0
от тока возбуждения
IВ .
Е0  f  I В  получают при условиях n2  const  nН и I a  0 . При проведении
испытаний машин обычно снимают нисходящую ветвь петли гистерезиса. Для этого вращающийся
Е0  1,2  1,3U aH , а затем снижают ток
генератор возбуждают, доводя эдс холостого хода до значения
возбуждения
IВ
до нуля. Явление гистерезиса приводит к тому, что характеристика обычно не проходит
через начало координат, при условии
I В  0 . Чтобы полученную характеристику
координат необходимо сместить ее по оси
относительных величинах эдс
Е0*
В результате получается зависимость
IВ
совместить с началом
[6]. Характеристику холостого хода принято строить в
и тока возбуждения
 
Е0*  f I 0*
*
0 и
I В* .
. Здесь
Е0* 
Е0
U aH
,а
I В* 
IB
. В качестве
I B0H
*
В принимают номинальное значение напряжения на
Е I
выходе генератора U aH и ток возбуждения I B 0 H , который соответствует эдс холостого хода E0 ,
равной номинальному напряжению генератора U aH . Экспериментальная характеристика сравнивается с
базовых величин при определении значений
нормальной характеристикой холостого хода, которая получена в результате статистических исследований
различных серий синхронных м ашин средней и большой мощности [2]. Характеристика холостого хода
используется для выявления дефектов в обмотках и магнитной системы синхронной машины, определения
степени ее насыщения, эксплуатационных параметров.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.4. Характеристика холостого хода
2.2.2. Характеристика короткого замыкания
Рис. 2.5. Характеристика короткого
замыкания синхронного генератора
I a  f  I B  строится при условиях n2  const  nН
и
U a  0 . Программой испытания синхронныхмашин предусматривается испытательное симметричное короткое
замыкание выводов обмотки якоря. Для получения характеристики вращающуюся машину возбуждают, доводя ток
в короткозамкнутой обмотке статора до значения 1,2I aH , а затем снижают ток возбуждения
I В до нуля.
Магнитная цепь ненасыщенна, характеристика получается практически линейной (рис. 2.5). Характеристика
короткого замыкания не проходит через начало координат вследствие остаточного намагничивания стали
I В  0 . Чтобы полученную характеристику совместить с началом координат,
необходимо сместить ее по оси I В [6].
магнитопровода машины при
Рис. 2.6. Векторная диаграмма явнополюсного синхронного генератора при коротком
замыкании
В синхронных машинах большой мощности можно пренебречь активным
сопротивлением обмотки якоря и считать полное сопротивление обмотки чисто индуктивным, реакцию
якоря – продольно размагничивающей. При условиях
ra  0 и U a  0
уравнения для
неявнополюсного и явнополюсного генераторов, соответственно (2.2) и (2.3), примут вид:
E0  jI a xa  jI a x  jI a xc ;
E0  jI ad xad  jI ad x  jI ad xd  jI a xd .
(2.7)
(2.8)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Векторная диаграмма явнополюсного синхронного генератора в режиме
короткого замыкания представлена на рис. 2.6. Характеристика короткого замыкания вместе с
характеристикой холостого хода используется для определения параметров синхронной машины,
необходимых для эксплуатации [1].
2.2.3. Внешняя характеристика
I B  const
и
Uа  f  Ia 
cos  const
n2  const  nН ,
снимается при условиях
(характер нагрузки постоянный). Вид характеристик, представленных
на рис. 2.7, определяется нагрузкой и действием реакции якоря. Изображенные характеристики получены
при нагружении синхронного генератора ном инальным током
I aH
при напряжении
U aH
и его
последующей постепенной разгрузке до работы вхолостую. В случае активной и индуктивной нагрузке
реакция якоря размагничивает синхронную машину с ростом тока
I a . Когда нагрузка емкостная,
происходит насыщение магнитной цепи. Переход от режима холостого хода к режиму номинальной
нагрузки и наоборот определяется изменением напряжения
нагрузки величина
u% рассчитывается из выражения:
u% 
Обычно
U
или
u% . На рис. 2.7 для активной
E0  U aH
100% .
U aH
(2.9)
u%  25  35% . Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении близком
к номинальному, применяются специальные устройства по его стабилизации. Желательно, чтобы генераторы
u% . Однако для этого надо иметь пониженное синхронное индуктивное
сопротивление xc в неявнополюсных машинах или, соответственно, xd и xq в явнополюсных машинах. Для
обладали небольшой величиной
этого требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором, что приводит к увеличению
магнитодвижущей силы обмотки возбуждения, однако при этом возрастают её габаритные размеры. При этом
машина становится более дорогой. В крупных турбогенераторах мощность ограничивается размерами ротора, на
котором размещена обмотка возбуждения. Повышение мощности ведет к увеличению
из-за повышенного размера воздушного зазора значение
u% меньше [2].
u% . В гидрогенераторах
Рис. 2.7. Внешняя характеристика синхронного генератора при различных видах нагрузки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2.4. Регулировочная характеристика
генератора
I B  f  I a  показывает, как надо менять ток возбуждения
I B , чтобы при изменении тока нагрузки I a
поддерживать его напряжение
Ua
на неизменном
уровне.
Рис. 2.8. Регулировочная характеристика синхронного генер атора при различных видах нагрузки
Строится характеристика при условиях n2
 const  nН , U a  const  U aH , cos  const .
Их вид (рис. 2.8) определяется характером нагрузки и действием реакции якоря. При активной и
индуктивной нагрузке для компенсации размагничивающего действия реакции якоря требуется увелич ивать
ток возбуждения. Емкостная нагрузка, наоборот, требует снижения тока возбуждения для предотвращения
насыщения магнитной цепи машины. В результате ухудшаются условия регулирования и возрастают
потери. Характеристики рис. 2.8 получены путем постепенного увеличения тока нагрузки
значения
Ia
генератора до
1, 2I aН и при регулировании тока возбуждения I B при неизменном напряжении на выходе.
Переход от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки характеризуется изменением тока
возбуждения:
iB % 
где
I BH
и
I ВН  I В 0 Н
 100% ,
I В0 Н
(2.10)
I В 0 Н , – соответственно, токи возбуждения генератора в режиме его номинальной нагрузки и в
режиме холостого хода при
U aH .
Построение регулировочной характеристики входит в программу испытаний синхронных машин.
Это связано с определением диапазона регулирования тока возбуждения при заданном характере изменения
нагрузки и с учетом нелинейности параметров машины [16].
2.3. Определение индуктивных сопротивлений синхронной машины
2.3.1. Определение индуктивных сопротивлений
xd и xq . Опытные характеристики (рис. 2.9, а) холостого хода 1
и короткого замыкания 2 позволяют определить значения синхронных индуктивных сопротивлений обмотки якоря
xd  , которое является определенным для каждой машины
в отличие от насыщенного значения сопротивления xd . Величина xd   const на линейном участке
по осям d и q. Обычно находят ненасыщенное значение
характеристики холостого хода, а также на спрямленной характеристике холостого хода 3, соответствующей
ненасыщенной машине. Учет насыщения при необходимости производится путем непосредстве нного определения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эдс по характеристике холостого хода. Для тока возбуждения, соответствующего отрезку 0А на характеристике 1,
находится
E  AA , а по характеристике 2 – ток I . Значение xd 
xd  
В случае подстановки в (2.11) значения
E
I
согласно (5.16) равно
.
(5.19)
E  AA для той же величины тока возбуждения I В
определяется
xd 
где
E E xd 
,


I k I k
(2.12)
k – коэффициент насыщения.
Кривая 4 отображает зависимость
составляет для турбогенераторов
сопротивления
xd
от насыщения магнитной цепи. Коэффициент насыщения
k =1,2, а для гидрогенераторов k =1,06. Величина индуктивного
xq определяется с помощью коэффициентов приведения магнитной цепи или
экспериментально при двигательном режиме синхронной машины. Для неявнополюсных генер аторов
достаточно воспользоваться (5.19) в определении индуктивного сопротивления, поскольку
xd  xq  xc . Данный способ наиболее часто применим в случае этого типа синхронных машин [1].
В практических расчетах используются относительные значения сопротивлений
принимается
x*d и x*q . За базовую величину
U aH / I aH . Когда используются синхронные явнополюсные машины средней и большой мощности,
x*d  0,6  1,6 , а x*q  0, 4  1,0 . Для неявнополюсныхмашин x*c  0,9  2,4 . Указанные
параметры показывают относительную величину падения напряжения при номинальном токе и позволяют
сравнивать свойства генераторов различной мощности [9].
Рис. 2.9. Характеристики холостого хода и короткого замыкания: а - определение индуктивного сопротивления
xd  ; б - определение отношения короткого замыкания
2.3.2. Определение отношения короткого замыкания. Данная величина является важной характеристикой
эксплуатации синхронных генераторов (рис. 5.19, б). Она приводится в их паспортных данных. Отношение
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
короткого замыкания представляет отношение установившегося тока короткого замыкания
номинальному току
IK 0 к
I aH :
kОКЗ 
Для большинства синхронных машин характерно
I K 0 U aH 1
1


 *
I aH
xd I aH x d
x*d
> 1. При этом
.
(2.13)
kОКЗ < 1, т.е. ток короткого
замыкания меньше номинального значения, что можно объяснить размагничивающим действием реакции
якоря. В результате выражение (2.13) можно представить в виде:
kОКЗ 
I В0 Н
I ВКH
.
(2.14)
kОКЗ определяет предельное значение нагрузки, которую способен нести генератор в установившемся
режиме работы. Чем больше kОКЗ , тем больше предельная нагрузка. Сопротивление xd обратно
пропорционально величине воздушного зазора  между статором и ротором ( x d  1 /  ). Таким образом,
отношение короткого замыкания тем больше, чем больше зазор  . Синхронные явнополюсные машины имеют
Величина
сравнительно небольшое падение напряжения на внутреннем сопротивлении и меньшее изменение напряжения при
колебаниях нагрузки. Это способствует более устойчивой их работе параллельно с сетью. Однако такие машины
имеют значительные габариты и стоимость. Величина
синхронных неявнополюсных машин
kОКЗ у явнополюсныхмашин составляет 0,8-1,8. Для
kОКЗ = 0,4-1,0. Их габариты и стоимость несколько меньше [1].
2.3.3. Определение расчетного индуктивного сопротивления рассеяния о бмотки якоря
x
xР . Для установления xР
сначала находят индуктивное сопротивление  , обусловленное потоком рассеивания. Снимают индукционную
нагрузочную характеристику синхронного генератора U a
I a  const , cos  const
 f  I В  при условиях n2  const  nН ,
. Частным случаем нагрузочной характеристики, имеющей вспомогательный
характер, является характеристика холостого хода. Обе характеристики выполняются в одной системе координат.
Индукционная нагрузочная характеристика снимается при большем токе возбуждения, часть которого идет на
компенсацию размагничивающего действия реакции якоря.
Индуктивное сопротивление x , обусловленное потоком рассеивания,
определяется путем графических построений [16]. На нагрузочной характеристике
произвольно выбирают точку c1 и отмечают криволинейный угол a1b1c1 со
стороной b1c1 , параллельной оси абсцисс (рис. 2.10). Затем этот угол переносят
параллельно самому себе так, чтобы точка c1 , совпала с точкой c ,
соответствующей номинальному напряжению U aН . В результате получен
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
треугольник abc , у которого сторона bc равна отрезку b1c1 . Опустив из точки a
перпендикуляр на линию bc , получают отрезок ad , представляющий в масштабе
напряжения mU величину I a x . Значение x рассчитывается из выражения:
x 
ad  mU
,
Ia
(2.15)
где I a – ток нагрузки генератора, заданный предварительно.
Рис. 2.10. Определение сопротивления
характеристика
холостого хода; 2 – индукционная нагрузочная
x . Оно называется также индуктивным
сопротивлением Потье. Неявнополюсные машины имеют xР  (1,05  1,10) x , у
явнополюсных машин xР  (1,1  1,3) x . Сопротивление xР используется при построении
Сопротивление
xР
x : 1 – характеристика
превышает сопротивление
диаграммы Потье [1].
2.4. Построение диаграммы Потье
При эксплуатации синхронных генераторов требуется определить ток возбуждения, который необходим для
обеспечения заданного режима работы с учетом насыщения магнитной цепи, а также изменение напряжение на
выводах генератора при различных нагрузках. Диаграмма Потье строится преимущественно для неявнополюсных
синхронных генераторов с использованием характеристик холостого хода и короткого замыкания (рис. 2.11).
Сочетание этих характеристик позволяет определить размагничивающее действие реакции якоря (рис. 2.11, а). В
I aH требуется ток возбуждения
I ВКН (отрезок 0а). Ток I ВКН соответствует эдс в режиме короткого замыкания E  x I aH (отрезок bc).
Для создания такой же эдс на холостом ходу требуется ток возбуждения I В 0 (отрезок 0b). Отрезок ab в масштабе
тока возбуждения характеризует размагничивающее действие продольной реакции якоря при условии ra  0 .
режиме короткого замыкания для создания номинального тока в обмотке якоря
Треугольник аbс называется треугольником Потье, а также реактивным или характеристическим треугольником [1].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.11. Построение диаграммы Потье
Определение номинальных тока возбуждения и изменения напряжения входит в программу испытаний
синхронной машины. Построение диаграммы Потье при работе генератора на активно -индуктивную
U aH , I aH и cos . Последовательность выполнения
показана на рис. 2.11, б. Вектор U aH откладывается на плоскости произвольно, а вектор I aH – под углом
 . Затем к вектору U aH достраиваются падения напряжения ra I aН , jxР I aН и устанавливают
значение эдс E , соответствующая магнитодвижущей силе F в масштабе тока возбуждения (рис. 2.11,

а). Вектор F опережает по фазе E на
. Для получения магнитодвижущей силы Fв к вектору F
2
следует достроить вектор  Fa , находящийся в противофазе с вектором I aH . Он определяется из
нагрузку проводится при известных значениях
треугольника Потье.
Fв  F  Fa .
(2.16)
Fв соответствует эдс холостого хода E0H (рис. 2.11, а), вектор которой отстает
на диаграмме на угол  / 2 от вектора Fв . Величина Fв характеризует ток возбуждения синхронного
Магнитодвижущей силе
генератора, необходимый для обеспечения данного режима его нагрузки. Номинальное изменение
напряжения
по (2.9), где
U часто определяется в процентном отношении при известных знач ениях U aH
E0  E0H [10].
и
E0H
2.5. Мощность и электромагнитный момент синхронной машины
P
M
Выражения для мощности
и электромагнитного момента
синхронной машины, работающей
параллельно с сетью бесконечной мощности, могут быть получены с помощью упрощенной ве кторной
r  0 . Активная мощность,
диаграммы явнополюсного генератора (рис. 2.12) при допущении a
вырабатываемая генератором [1]
P  mU a I a cos  mU a I a cos     .
(2.17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
cos      sin sin  cos cos .
(2.18)
P  mU a I a  sin sin  cos cos  
 mU a I ad sin  mU a I aq cos .
(2.19)
Из векторной диаграммы рис. 2.12 следует:
I ad 
E0  U a cos
;
xd
I aq 
U a sin
.
xq
(2.20)
Выражение (2.19) с учетом (2.20) запишется в виде:
mU a E0
mU a2
mU a2
P
sin 
sin cos 
sin cos ,
xd
xd
xq
где
sin cos 
(2.21)
1
sin2 .
2
mU a E0
mU a2  1
1 
P
sin 
   sin2 .
xd
2  xq xd 
(2.22)
P синхронной машины при параллельной
работе с сетью бесконечной мощности и неизменном токе возбуждения ( E0  const ) от угла нагрузки
 в явнополюсной синхронной машине. Для машин с неявнополюсным ротором xd  xq  xc ,
Выражение (5.32) показывает зависимость активной мощности
поэтому (2.22) принимает вид:
P
mU a E0
sin .
xc
(2.23)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.12. Упрощенная векторная диаграмма явнополюсного синхронного
генератора
Машины средней и большой мощности характеризуются малыми потер ями мощности по сравнению с
P , отдаваемой в сеть при генераторном режиме и потребляемой из сети в двигательном
режиме. Пренебрегая потерями можно считать, что электромагнитная мощность машины PЭМ и мощность
P равны. Электромагнитный момент M пропорционален мощности PЭМ  P , поэтому для
мощностью
неявнополюсной и явнополюсной синхронных машин, соответственно, имеют место выражения:
M
P
1

mU a E0
sin ;
xc1
mU a E0
mU a2  1 1 
M

sin 
   sin2  M осн  M р ,
1
xd 1
21  xq xd 
P
(2.24)
(2.25)
M осн – основная составляющая момента, зависящая от напряжения сети и возбуждения синхронной
машины; M р – реактивная составляющая момента, которая присутствует даже в невозбужденной машине
где
(
E0  0 ) [2].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.13. Угловые характеристики синхронной машины
Зависимости
P  f   и M  f   , полученные при условиях U a  const
E0  const , называются угловыми характеристиками синхронной машины. На рис. 2.13
и
представлены
графики зависимостей электромагнитного момента и его составляющих от нагрузки: 1 – график основной
M осн  f   , который является также графиком момента неявнополюсной машины; 2
– график реактивной составляющей M р  f   ; 3 – график результирующего момента явнополюсной
составляющей
машины. Зависимости мощности машины от нагрузки в другом масштабе им еют аналогичный вид.
M  f   обусловлена тем, что потоки Фв и Ф сдвинуты
между собой на угол  . При холостом ходе   0 , между ротором и статором существуют только силы
Физически полученная форма кривой
притяжения, действующие радиально (рис.2.14, а), и момент машины равен нулю.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ia
 0
ea
ea
 0
 0
N
FA
ia
FA
FA
N
ea
N
FA
n2
n2
S
n2
M ПД
M
M вн
S
M вн
FA
а)
M
S
FA
б)
в)
Рис. 2.14. Действие магнитного поля в синхронной машине
В генераторном режиме (рис. 2.14, б) ток в проводниках обмотки статора взаимодействует с магнитным
потоком ротора, в результате чего на каждый проводник обмотки статора и полюса ротора действуют
электромагнитные силы (силы Ампера)
FA , одинаковые по величине и противоположные по направлению.
Электромагнитные силы между статором и ротором образуют тангенциальные составляющие, создающие
M , направленный против приложенного извне момента M вн , приводящего
ротор во вращение. Генератор с возникновением под действием эдс ea тока в якоре ia получает
электрическую нагрузку, а приводной агрегат – механическую. Ось потока возбуждения Фв под действием
вращающего момента M вн опережает ось суммарного потока Ф на угол    0  . В
двигательном режиме   0 , ось потока возбуждения Фв под действием тормозного момента нагрузки
M вн отстает от оси суммарного потока Ф (рис. 2.14, в), вследствие чего тангенциальные составляющие
электромагнитный момент
электромагнитных сил, возникающих между ротором и статором, создают электромагнитный вращающий
момент
M [16].
2.6. Статическая устойчивость и
перегрузочная способность синхронной машины
Угловая характеристика синхронной машины необходима для оценки статической устойчивости и
перегрузочной способности. Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей
параллельно с сетью, понимают ее способность восстанавливать прежний режим работы
 n2  n1 
после окончания действия внешних возмущений (изменения напряжения сети, мо щности приводного
двигателя, тока возбуждения и т.д.). Статическая устойчивость обеспечивается только при углах
соответствующих
M  M max [9].
,
На рис. 2.15 приведены угловые характеристики неявнополюсной машины в режиме генератора. Мощность
PПД
и момент
M ПД
приводного двигателя от угла нагрузки
момент приводного двигателя
M ПД

не зависят (рис. 2.15, а). Вращающий
и тормозной момент генератора
M
уравновешены в точках 1 и 2,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
однако работа агрегатов в этих точках неодинакова. В результате случайного приращения угла нагрузки

P превысит мощность приводного двигателя PПД
в точке 1 электрическая мощность генератора
P
величину
. На валу генератора будет действовать тормозной момент
вращение ротора генератора.
В результате случайного приращения угла нагрузки
будет меньше мощности приводного двигателя


PПД
M  P / 1 , замедляющий
в точке 2 электрическая мощность генератора
на величину
на
P , в результате чего ротор получит
P
ускорение, а угол
возрастет еще больше, в результате чего происходит выпадение генератора из
синхронизма с сетью. Выпадение из синхронизма является аварийным режимом, поскольку с опровождается
прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что эдс генератора и напряжение сети
при указанном режиме могут складываться по контуру «генератор – сеть», а не вычитаться, как при
нормальной работе.
Рис. 2.15. К понятию статической устойчивости и перегрузочной способности синхронной м ашины
P M
Величины
и
, возникающие при внешних возмущениях в области устойчивой работы машины,
называются, соответственно, синхронизирующей мощностью и синхронизирующим м оментом [2].
При снижении внешнего момента по какой-либо причине, то при работе машины в точке 2 угол


уменьшается, электромагнитный момент возрастает, что приводит к дальнейшему умен ьшению угла
и
переходу к работе в точке 1. Участок угловой характеристики 0А определяет устойчивую область работы
синхронного генератора (
машина имеет
0    900эл ), а участок АВ – неустойчивую область. Неявнополюсная
 кр  900эл , у явнополюсной машины устойчивая область работы меньше, поскольку
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 кр  60  800эл в зависимости от отношения моментов M осн и M р . Для расчета критического угла
нагрузки явнополюсных синхронных машин используют выражения [2]:
кр  arccos

 2  0,5  
Синхронная машина развивает максимальный момент

;

E0
.
x

4U a  d  1
x

 q

M max
и максимальную мощность
km 
M max Pmax

.
MH
PH
Pmax
(2.26)
при угле
   кр . Величина, выражающая запас по мом енту (мощности) называется перегрузочной способностью
синхронной машины и выражается коэффициентом:
(2.27)
Для неявнополюсной машины
km 
где
mU a E0
xc
1


 2,
xc
mU a E0 sin H sin H
(2.28)
 H  20  350эл соответствует номинальному моменту M H .
Явнополюсные синхронные машины обладают несколько большим значением коэффициента
km по
сравнению с (2.28). Повышения перегрузочной способности синхронной машины можно достичь
снижением величин
значением
xd
или
xc , увеличивая воздушный зазор  . Синхронные машины с большим
kОКЗ имеют завышенные габариты и массу, однако более устойчивы при параллельной работе с
сетью [1].
Устойчивость синхронного генератора при заданном значении отдаваемой в сеть активной мощности
от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения возрастает эдс
P зависит
E0 , момент M max , увеличивается
устойчивость машины. На рис. 2.15, б показано, что при различных возмущениях перевозбужденная синхронная
E0  U a ) в большей степени способна сохранять устойчивый режим работы, чем недовозбужденная
( E0  U a ) за счет увеличения перегрузочной способности. Электрическая сеть, на которую работают
машина (
синхронные генераторы, является для них преимущественно активно -индуктивной нагрузкой. Синхронные
генераторы должны работать с некоторым перевозбуждением, обеспечивающим повышение перегрузочной
способности. При наличии в сети большого числа статических или вращающихся компенсаторов реактивной
мощности генератор для поддержания стабильного напряжения в сети должен работать с недовозбуждением. Такой
режим неблагоприятен для генератора, так как с уменьшением тока возбуждения при заданной активной мощности
P возрастает угол 
и снижается перегрузочная способность, определяющая устойчивость м ашины [2].
Динамической устойчивостью синхронной машины называется ее спосо бность сохранять синхронный режим
работы с сетью при больших возмущениях, например, при коротких замыканиях. Динамическая устойчивость
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зависит от величины, длительности возмущения, параметров машины и т.д. Современные синхронные генераторы
снабжены различными устройствами, обеспечивающими автоматическое регулирование тока возбуждения.
Автоматические регулятор возбуждения реагируют не только на отклонение напряжения генератора по величине,
но и на производную по времени

dU a / dt , а также на величину dI a / dt , определяемую изменениями угла
нагрузки d / dt (компаудированные системы возбуждения) [9]. Для удержания синхронной машины в
синхронизме при снижении напряжения в сети, применяют автоматическую форсировку тока возбуждения,
осуществляемую релейной защитой [34].
2.7. Режимы работы синхронного генератора при параллельной
работе с сетью. U–образные характеристики синхронного генератора
Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью
большой мощности, проводится путем изм енения внешнего момента и тока возбуждения. Для обеспечения
требуемого режима работы генератора регулируют оба этих пар аметра [9].
2.7.1. Работа генератора с неизменным током возбуждения. На рис. 2.16,а представлена векторная диаграмма
 Uс . При работе генератора с cos  1 ток
якоря I a1 совпадает по направлению с вектором напряжения U ген , а вектор эдс E0 опережает эти векторы на
неявнополюсного синхронного генератора при условии U ген

угол 1 . При возрастании нагрузки от первоначального значения увеличивается момент, приложенный к валу
генератора, и угол нагрузки возрастает до значения
2  1 . Вектор эдс E0 поворачивается в строну
опережения, его конец скользит по окружности радиусом, равным
E0 , так как ток возбуждения остается
неизменным. При уменьшении нагрузки от первоначального значения уменьшают момент, пр иложенный к валу
генератора, и угол нагрузки уменьшается до значения
3  1. Построение всехвекторов на диаграмме
аналогично.
Диаграммы на рис. 2.16, а показывают, что при изменении внешнего м омента, приложенного к валу
синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, изменяется и активная, и реактивная мощность.
Для обеспечения требуемого режима работы генератора при изменении активной мощности н еобходимо
регулировать и ток возбуждения [9].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.16. Векторные диаграммы синхронного генератора
при различных режимах нагрузки
2.7.2. Работа генератора с неизменным моментом. Неизменность внешнего момента на валу генератора
эквивалентна постоянству его активной мощности
P  mU ген I a cos . При работе на мощную сеть
U ген  U с  const и при изменении тока возбуждения остается постоянной активная составляющая
тока якоря I a cos  const . На рис. 2.16, б представлена векторная диаграмма, где конец вектора I a
скользит по прямой АВ, которая перпендикулярна вектору напряжения U ген . Для неявнополюсного
синхронного генератора, согласно (5.33), изменение тока возбуждения приводит к измен ению величин E0
и sin . При P  const выполняется условие E0 sin  const . На диаграмме это условие
выражается в том, что конец вектора E0 скользит по прямой СD, которая параллельна вектору напряжения
U ген . Чем меньше ток возбуждения, тем меньше по модулю вектор E0 , но больше угол  . На рис. 2.16,
б выполнены построения для трех значений тока возбуждения. Минимальному значению тока I a
соответствует режим работы при cos  1, чему соответствует определенный ток возбуждения. При
изменении тока возбуждения относительно этого значения ток I a возрастает [9].
Зависимость тока якоря
I a от тока возбуждения I в
при условии
P  const
называется U-
образной характеристикой, она представлена на рис. 2.17. U-образная характеристика синхронных машин
позволяет определить ток возбуждения, при котором для заданной нагрузки ток якоря м инимален [2]. В
точке А генератор работает вхоло стую. Участок АВ линейный, поскольку магнитная цепь машины
ненасыщена. В этом режиме ток в обмотке якоря является индуктивным по отношению к напряжению сети
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Uс и емкостным по отношению к напряжению генератора U ген .
Рис. 2.17. U-образная характеристика
Возникает размагничивающая реакция якоря, в результате чего
U ген  const . Синхронная машина работает с
  0 ), т.е. в режиме недовозбуждения. Участок АС нелинеен,
отстающим коэффициентом мощности ( cos
поскольку магнитная цепь насыщена. Ток якоря является емкостным по отношению к напр яжению сети и
индуктивным по отношению к напряжению генератора. Для соблюдения условия
U ген  const
возникает
намагничивающая реакция якоря. Синхронная машина работает с опережающим коэффициентом мощности
  0 ), т.е. в режиме перевозбуждения, выполняя роль компенсатора реактивной мощности, что
способствует повышению коэффициента мощности в сети. В точках A , A , A ток якоря становится чисто
активным ( cos  1). Отклонение кривой АD вправо с ростом нагрузки генератора связано с необходимостью
( cos
компенсации падения напряжения на активном сопротивлении машины и компенсации действия поперечной
реакции якоря путем увеличения тока возбуждения. Участки U-образной характеристики АD, АС и АВ представляет
собой регулировочные характеристики соответственно при чисто активной, емкостной и индуктивной нагрузках.
Получение U-образной характеристики входит в программу приемо-сдаточных испытаний синхронных машин [6].
U-образные характеристики синхронного двигателя имеют аналогичный вид [16].
Совместный анализ угловой, U-образной и регулировочных характеристик синхронного генератора
позволяет сделать следующие выводы:
- регулирование активной мощности синхронной машины может идти только путем изменения момента,
приложенного к ее валу;
- одновременно с регулированием активной мощности следует изменять ток возбуждения в соответствии с
регулировочной характеристикой;
- изменение реактивной мощности производится регулированием тока возбуждения, при этом
перевозбужденная машина потребляет из сети индуктивный ток, а недовозбужденная – емкостный;
- потребление из сети индуктивного тока равносильно генерированию в сеть тока емкостного и наоб орот [1].
3. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛ И
3.1. Векторные диаграммы синхронного двигателя
Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим,
если к валу ротора приложен тормозной м омент. При этом машина начинает потреблять из сети активную
мощность, приводящую к созданию электромагнитного вращающего момента. Частота вр ащения ротора
n2
остается неизменной и связана с частотой сети, т.е. синхро нные двигатели в пределах допустимого значения
нагрузочного момента на валу имеют абсолютно жесткую механическую характеристику. Это является
важным эксплуатационным свойством синхронных двигателей. Синхронные двигатели по конструкции
принципиально не отличаются от синхронных генераторов [2]. Выражения (5.9) и (5.12) позволяют
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
построить векторные диаграммы синхронного двигателя. Вместо напряжения машины
напряжение сети
Ua
используется
U
с . Пренебрежем активным сопротивлением обмотки якоря. Для неявнополюсной и
явнополюсной машин в двигательном режиме:
U с  E0  jI a xс ;
U с  E0  jI ad xd  jI aq xq .
(3.1)
(3.2)
Упрощенные векторные диаграммы, построенные по (3.1) и (3.2), представлены на рис. 3.1. Для выяснения
свойств синхронного двигателя следует рассмотреть его работу при изменении нагрузочного момента на
валу
M с , а также при изменении его тока возбуждения.
Рассмотрим работу синхронного двигателя при изменении нагрузочного м омента
M с и постоянном токе
возбуждения. Используем упрощенную векторную диаграмму неявнополюсной машины. Двигатель работает при
cos  1. На векторной диаграмме рис. 3.1, а данному режиму соответствует ток I a1 и угол 1 . Повышение
нагрузки приводит к росту угла между векторами E0 и U с до значения  2 . Согласно (5.34) вращающий
M  M C . Конец вектора E0 перемещается по окружности с радиусом, равным E0 . При
условиях I в  const , E0  const , U c  const вектор тока I a 2 также поворачивается вокруг
точки O . При этом ток двигателя I a 2 имеет отстающую составляющую. Если нагрузка двигателя уменьшается
по сравнению с исходной, то угол  уменьшается до значения  3 . Ток двигателя I a 3 имеет опережающую
момент двигателя
реактивную составляющую [9].
Рис. 3.1. Упрощенные векторные диаграммы синхронного двигателя
cos . При уменьшении
нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с cos  1 или с
Изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его
опережающим током. Увеличение нагрузки приводит к повороту вектора тока в сторону отставания.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.2. Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного двигателя при изменении: а -
M с ; б - тока возбуждения
Рассмотрим работу синхронного двигателя при изменении тока возбуждения и постоянном нагрузочном моменте
M с . Двигатель работает при cos  1. На векторной диаграмме рис. 3.2, б данному режиму соответствует
ток E01 и угол 1 . При уменьшении тока возбуждения эдс E0 снижается до E02 , угол  2 возрастает. При
постоянной активной мощности имеет место равенство E01sin1  E02 sin 2 . В результате конец вектора
E0 при изменении тока возбуждения перемещается по прямой BC , которая параллельна U с и проходит через
конец вектора E0 . При увеличении тока возбуждения эдс E0 возрастает до величины E03 , угол  3  1 .
Вектор  jI a 3 xc поворачивается вокруг точки A . Изменяет направление вектор тока I a 3 . При постоянной
активной мощности имеет место равенство I a1cos1  I a 2cos2  I a 3cos3 . В результате конец
вектора тока I a перемещается по прямой DE , которая перпендикулярна вектору U с [9].
Если при неизменной активной мощности изменять ток возбуждения, то будет изменять ся только cos ,
т.е. реактивная мощность.
Синхронный двигатель является генератором реактивного тока: в режиме недовозбуждения – индуктивного
I a отстает от напряжения сети U с , происходит потребление реактивной мощности из сети), в режиме
перевозбуждения – емкостного (ток I a опережает напряжение сети U с , происходит отдача реактивной
(ток
мощности в сеть).
Асинхронные двигатели являются основными электроприемниками. Они работают при
cos  1 и
создают в сетях наряду с трансформаторами значительные индуктивные токи. Если параллельно группе
асинхронных двигателей подключить несколько перевозбу жденных синхронных двигателей, то в сети
возникает емкостная составляющая тока. Она частично или полностью компе нсирует индуктивную
составляющую тока. Электрическая система при этом разгружается от реактивных токов, величина тока в
линии снижается, уменьшаются потери. Однако синхронный двигатель в режиме перевозбуждения
потребляет значительный ток статора. В связи с этим двигатели, предназначенные для работы с
перевозбуждением имеют завышенные габариты и меньший кпд, чем у двигателей, предназн аченных для
работы с
cos  1 [2].
По своей конструкции синхронные двигатели практически не отличаются от синхронных генераторов. Они
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
преимущественно выполняются явнополюсными и имеют меньший воздушный зазор, что способствует
снижению пускового тока. Синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют следующие
преимущества:
- возможность работы с
cos  1, в режиме потребления и отдачи реактивной мощности в сеть;
- меньшая чувствительность к изменениям напряжения в сети и лучшее сохранение перегрузочной
способности (максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению в первой степени,
а у асинхронного двигателя – квадрату напряжения);
- абсолютно жесткая механическая характеристика.
Недостатками синхронных двигателей являются:
- сложность конструкции;
- сравнительная сложность запуска;
- регулирование частоты вращения возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.
Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выго дными по сравнению с асинхронными
двигателями при мощностях до 100 – 200 кВт. Однако при более высоких мощностях в некоторых электроприводах
синхронные двигатели превосходят асинхронные двигатели по экономическим показателям [9].
3.2. Пуск синхронных двигателей. Рабочие характеристики
Пуск синхронного двигателя путем непосредственного включения в сеть невозможен. При подключении
статора двигателя к цепи переменного тока,
когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения протекает постоянный ток, электромагнитный момент
будет дважды изменять свое направление. Средний момент за период равняется нулю. Ротор, обладая
значительной инерцией, не может разогнаться до синхронной частоты вращения в течение одного
полупериода. Для пуска синхронного двигателя необходимо предварительно привести ротор во вращение с
частотой, близкой к частоте вращения поля статора. В этих условиях поле статора медленно перемещается
относительно полюсов вращающегося ротора, и при подключении обмотки возбуждения к источнику
питания между магнитными системами ротора и статора устанавливается магнитная связь. Она
обеспечивает возникновение синхронного электромагнитного момента, под действием которого ротор
начинает вращаться с синхронной частотой, т.е. втягивается в синхронизм [2].
Рис. 3.3. Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя
Пуск синхронных двигателей проводится преимущественно асинхронным способом. Для реализации данного
способа в пазах полюсных наконечников ротора размещают короткозамкнутую пусковую обмотку, которая
выполняется по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней пусковая обмотка
изготавливается из латуни или меди и замыкается с двух сторон медными кольцами (рис. 3.3). Обмотка
возбуждения во избежание пробоя изоляции зам ыкается на время пуска на гасящий резистор, сопротивление
которого превышает активное сопротивление обмотки возбуждения в 8–12 раз. Обмотка статора включается в
трехфазную сеть. Вращающееся магнитное поле наводит в пусковой обмотке эдс. По стер жням обмотки
протекают токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем статора на каждый
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
FA . Совокупность таких сил создает на роторе асинхронный
электромагнитный момент M a . Под действием M a ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и поле
статора. После разгона ротора до подсинхронной частоты вращения  n2  0,95n1  обмотку возбуждения
стержень ротора действует электромагнитная сила
подключают к источнику питания. При этом образуется синхронный момент и двигатель втягивается в
синхронизм с сетью. В пусковой обмотке ротора больше не наводится эдс, асинхронный момент
Ma  0 .
Пусковая обмотка при синхронном вращении ротора выполняет роль демпферной (успокоительной) обмотки,
ограничивая возможные колебания (качания) ротора. Колебания ротора вызваны изменением нагрузки на валу
двигателя. Стержни демпферной обмотки синхронных двигателей выполняются большего сечения, чем у
генераторов, поскольку при пуске она является пусковой обмоткой. На неявнополюсном роторе
короткозамкнутая пусковая обмотка не может быть размещена. Ее роль играет обмотка возбуждения, замкнутая
на гасящий резистор [9].
Величина сопротивления пусковой обмотки должна способствовать формированию требуемой пусковой
характеристики синхронного двигателя с учетом нагрузки на его валу. Влияние на характеристику пускового
момента тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, называется одноосным э ффектом.
Пусть пусковая обмотка отсутствует и обмотка возбуждения замкнута накоротко. При асинхр онном пуске
двигателя в обмотке возбуждения наводится эдс с частотой
f 2  f1s . По обмотке проходит переменный
ток, создающий пульсирующее магнитное поле. Оно является суммой двух вращающихся в ра зные стороны
полей ротора, прямого и обратного. Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора равна
nр  
60 f 2
60 f1s

  n1s .
p
p
(3.3)
Относительно статора прямое поле вращается с частотой
n р.пр  n2  n р  n1 1  s   n1s  n1 ,
где
n2 – частота вращения ротора.
Относительно прямого поля синхронный двигатель ведет себя как обычный трехфазный асинхронный
двигатель. Это поле и ток статора образуют основной асинхронный м омент
M a (рис. 3.4).
(3.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.4. Зависимость электромагнитного момента от скольжения при асинхронном пуске СД
Частота вращения обратного поля ротора относительно статора
n р.обр  n2  n р  n1 1  s   n1s  n1 1  2s  .
(3.5)
Относительно обратного поля синхронный двигатель ведет себя как обращенный асинхронный двигатель. В
обмотке статора обратным полем индуцируется эдс с частотой
f1 1  2s  . Обмотка статора для этой эдс
является короткозамкнутой. Возникающий в обмотке ток взаимодействует с обратным полем рото ра и создает
дополнительный асинхронный момент
MД
(рис. 3.4). Наличие пусковой обмотки на роторе значительно
n2  0,5n1 возникает
характерный «провал» в кривой результирующего электромагнитного момента M  M a  M Д . Этот
уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако при
«провал» тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Поэтому включение гасящего сопротивления в цепь
обмотки возбуждения на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.
При запуске двигателя под нагрузкой может быть затруднено его вхо ждение в синхронизм или вхождение в
синхронизм не происходит. Наибольший нагрузочный момент при котором ротор синхронного двигателя
еще втягивается в синхронизм называется моментом входа двигателя в синхронизм
асинхронного момента
Ma
M вх . Величина
n2  0,95n1 зависит от активного сопротивления
при частоте вращения
пусковой обмотки, т.е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивления металла, из
которого они изготовлены. Повышенное сопротивление пусковой обмотки приводит к образованию
M П . Это приводит к уменьшению момента входа в синхронизм M вх .
,
При сопротивлении пусковой обмотки, которое соо тветствует небольшому пусковому моменту M П
 (рис. 3.4) [9].
момент входа двигателя в синхронизм увеличивается M вх
значительного пускового момента
При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает большой пу сковой ток. Примой пуск применяется
в мощных сетях, если это не вызовет значительных просадок напряжения. Если сеть не достаточно мощная,
то применяются реакторный, трансформаторный (автотрансформаторный) способы пуска. В настоящее
время применяется на производстве частотный пуск синхро нных двигателей. Использование
полупроводниковых преобразователей частоты позволяет регулировать ч астоту вращения ротора
n2 [2].
Рабочие характеристики синхронного двигателя показаны на рис. 3.5. Они являются зависимостями частоты
n2 , потребляемой мощности P1 , полезного момента M , коэффициента мощности
cos1 и тока в обмотке статора I a от полезной мощности P2 .
вращения ротора
U a  const  U aH , f1  const  f1H и
P
M  2 имеет линейную зависимость от мощности P2 , так
Рабочие характеристики получаются при условиях
I В  const . Полезный момент на валу
как
n2  n1 . Потребляемая двигателем
1
P1 с ростом мощности на валу P2 также
P1 растет быстрее P2 . В результате зависимость
мощность
увеличивается, однако при этом из-за роста потерь
P1  f  P2  нелинейная. Ток двигателя I a при холостом ходе практически реактивный. По мере роста
нагрузки возрастает активная составляющая тока I a и его зависимость от мощности P2 является нелинейной.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Синхронные двигатели могут работать с
током и
cos1  1. Однако их рассчитывают на работу с опережающим
cos1H  0,8  0,9 . При этом улучшается суммарный коэффициент мощности сети, поскольку
компенсируется отстающая реактивная составляющая тока работающих в сети асинхронных двигателей,
трансформаторов и др. [2]
Рис. 3.5. Рабочие характеристики синхронного двигателя
3.3. Регулирование частоты вращения синхронных двигателей
n2 равна частоте вращающегося магнитного поля
n1  60  f1 / p . Регулирование величины n2 путем изменения числа пар полюсов p нецелесообразно
из-за усложнения схемы. Регулирование частоты питающего напряжения f1 проводится по аналогии с
Частота вращения синхронного двигателя
регулированием частоты вращения ротора асинхронных двигателей. В синхронных электропр иводах с
большими моментами инерции применяется метод частотного регулирования с самосинхронизацией. При
этом изменение величины
f1 происходит плавно и двигатель не выпадает из синхронизма.
Электромагнитный момент синхронного двигателя
M
прямо пропорционален току в статоре
I a и потоку
Фв . При частотном регулировании обычно стремятся получить режим работы двигателя при
cos1  1. В статорной обмотке ток поддерживается постоянным и минимальным
возбуждения
I a m in 
.
f1 изменяются эдс E0 , угловая скорость ротора 1 и индуктивное
xc ( xd и xq при явнополюсном роторе). Можно считать, что
При изменении частоты
сопротивление
M
Ôâ
(3.6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
E0
x

f
 c  1  1
E0 H xcH 1H
f1H
При частотах питающего напряжения
M
(3.7)
f1 , отличных от номинальной f1H , выражение (3.7) принимает вид
mU1E0
mU1E0 H f1H
U
sin 

sin  C 1 sin  const .
xcH 1
xcH 1H
f1
f1
При неизменных значениях нагрузочного м омента
условие
.
MH  M
и
I a  I a min
должно выполняться
U1 / f1  const . На графиках рис. 3.6, а показано, что стороны треугольника
пропорционально частоте, а угол
изменять ток возбуждения

(3.8)
ОАВ изменяются
все остается неизменным. При изменениях нагрузки необходимо
IВ .
Рис. 3.6. Векторные диаграммы синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты, при
постоянном моменте: а – при постоянном угле
 и cos1  1; б – при изменении угла 
Механические характеристики синхронного двигателя при частотном управлении показаны на рис. 3.7.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.3.7. Механические характеристики синхронного двигателя Р н=3 кВт
при частотном управлении
При частотном регулировании с самосинхронизацией управление прео бразователем частоты
осуществляется от системы датчиков положения ротора. Напряжение подается на каждую фазу двигателя
0
при углах нагрузки
. Такой способ регулирования автоматически обеспечивает условия
устойчивой работы двигателя и его перегрузочную способность. Синхронные двигатели, регулируемые
путем изменения частоты с самосинхронизацией, называются вентильными двигателями. Его режим работы
  90
зависит от силы тока возбуждения, соотношения
U1
, моментов подачи напряжения на фазы двигателя
f1
параметров преобразователя частоты. Угол регулирования
Если считать, что

практически полностью определяет угол
   , то при условиях f1  const и I В  const
и
.
выражение (3.8) принимает
вид
M
При изменении угла регулирования
 
mU1E0
sin  cU1sin  const .
xcH 1
для выполнения условия
M  const
(3.9)
нужно регулировать
U1 , подводимое к двигателю от преобразователя. На рис. 3.6, б показано несколько положений
векторов U1 , I a и  I a xc при E0  const и различных углах опережения  . Если   1 , то
ток I a1 имеет минимальное значение и совпадает по фазе с напряжением U11 . При уменьшении угла 
до значения  2 подводимое к двигателю напряжение увеличивается до значения U12 . Ток I a 2 будет
отставать от напряжения U12 на угол 2 . При увеличении угла  до значения  3 подводимое к
двигателю напряжение уменьшается до значения U13 . Ток I a 3 будет опережать напряжение U13 на угол
3 . Величина U1sin на векторной диаграмме выражается отрезком АВ. При изменении угла  конец
вектора напряжения U1 перемещается по прямой ВАС, которая проходит через точку А и параллельна
вектору E0 . Ток якоря I a при таком регулировании может значительно увеличится, а максимальный
напряжение
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
момент двигателя при отстающем токе
I a – уменьшится. Пределы изменения угла опережения 
необходимо определять при настойке преобразователя частоты, чтобы обеспечить надежность и требуемое
качество работы электроприводов [9].
3.4. Математическая модель явнополюсного синхронного двигателя с
демпферной обмоткой
Описание электромагнитных и электромеханических процессов в
трехфазном синхронном двигателе при различных способах управления
наиболее полно и точно может быть выполнено в естественной системе
координат AВC, оси которой сдвинуты друг относительно друга на 1200, что
соответствует
конструкции
СД.
При
этом
следует
отметить,
что
математическое моделирование и аналитические расчеты в трехфазной
системе координат очень сложны и трудоемки, особенно при построении
систем
автоматического
математическая
модель
регулирования
эквивалентного
СД.
Поэтому
двухфазного
более
удобна
явнополюсного
синхронного двигателя с демпферной обмоткой в системе координат d-q,
связанной с ротором и вращающейся вместе с ним [23], представленная на рис.
3.8.
Данная модель является частным случаем модели двухфазной машины
двойного питания с гладким цилиндрическим ротором с учетом следующих
принятых [8, 23] допущений:
- равномерный воздушный зазор;
- отсутствие потерь на гистерезис и вихревые токи;
- двухфазные обмотки статора симметричные и расположены под прямым
электрическим углом на поверхности статора;
- двухфазные демпферные обмотки симметричные и расположены таким же
образом на поверхности ротора;
- по обмоткам статора протекают синусоидальные токи;
- к обмотке возбуждения ротора прикладывается напряжение постоянного тока;
- фазные токи статора не содержат токов нулевой последовательности;
- магнитная система машины не насыщена.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.8. Модель синхронного двигателя во вращающейся системе координат
В модели трехфазная обмотка статора заменена двумя неподвижными
относительно вращающейся системы координат d-q обмотками, которые
характеризуются активным сопротивлением R 1 и индуктивностями L 1d и L1q .
Оси этих обмоток направлены по осям координат d и q . К ним приложены
напряжения постоянного тока по прямой и квадратурной осям U 1d и U1q , в
результате чего по обмоткам протекают токи I1d и I1q . К обмотке возбуждения
с сопротивлением
Rв
и индуктивностью
Lв
приложено напряжение
возбуждения U в , ток в ней обозначен как I в .
Помимо обмотки возбуждения на роторе располагается демпферная
обмотка. Так как точный учет демпферных контуров довольно сложен, то,
аналогично обмотке статора, ее можно представить в виде двух обмоток, оси
которых направлены по осям d и q . Они характеризуются активными
сопротивлениями R дd , R дq и индуктивностями L дd и L дq , а токи обозначены
как Iдd и I дq . Из рис. 3.8 видно, что при принятом направлении осей координат
потокосцепление статора по оси d определяется токами I1d , I в и Iдd , а по оси q
– токами I1q и I дq . Математическая модель синхронного двигателя с
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
демпферной обмоткой имеет вид:
U1d  R 1I1d  p1d  0 эл 1q ;

U1q  R 1I1q  p1q  0 эл 1d ;
U  R I  p ;
в в
в
 в
0  R дd I дd  pдd ;
0  R I  p ;
дq дq
дq


1d  L1d I1d  M dв I в  M dд I дd ;
1q  L1q I1q  M qд I дq ;

в  L в I в  M вd I1d  M вд I дd ;

дd  L дd I дd  M дd I1d  M дв I в ;
дq  L дq I дq  M дq I1q ,

(3.10)
где ω 0ээ  2 f1 - синхронная скорость поля ротора; f 1 - частота напряжения
питания; 1d , 1q - потокосцепления статорной обмотки по осям d и q ; в потокосцепление обмотки возбуждения;
дd ,
дq
- потокосцепления
демпферной обмотки по осям d и q ; M dв  M вd - коэффициент взаимной
индукции между обмоткой возбуждения и обмоткой статора по оси d ;
Mdд  Mдd - коэффициент взаимной индукции между обмоткой статора и
демпферной обмоткой по оси d ; Mqд  M дq - коэффициент взаимной индукции
между обмоткой статора и демпферной обмоткой по оси q . При этом
коэффициенты взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора по
осям d и q можно обозначить как L12d и L12q , соответственно.
Изменение нагрузки при постоянном модуле вектора напряжения
статора
U1 приводит к изменению между его проекциями на осях
вращающейся системы координат d  q , которые определяются системой
уравнений:
U1d  U1max sin ;

U1q  U1max cos ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где U1m ax - амплитудное значение напряжения статора; θ  (ω0ýë  p ï ω1 )/p - угол
нагрузки; p п - количество пар полюсов.
Электромагнитный момент трехфазного синхронного двигателя, с
учетом условия сохранения электромагнитной мощности, может быть
представлен выражением:
M дв 
3
p п (I1q 1d  I1d 1q ) .
2
Уравнение динамики имеет вид:
Mдв  Mс  J1pω1 ,
где ω 1 - частота вращения ротора, J1 - момент инерции двигателя; M c статический момент на валу двигателя.
При построении модели СД необходимо произвести операцию
приведения параметров роторной обмотки к статорной. Для этого возможно
использование
коэффициентов
приведения
токов,
напряжений
и
сопротивлений, зависящих от числа фаз, числа последовательно соединенных
витков обмотки фазы, активных и индуктивных сопротивлений обмоток
двигателя. Далее под параметрами вторичной обмотки ротора будут
подразумеваться параметры приведенной вторичной обмотки ротора.
Точный учет насыщения магнитной цепи СД при моделировании
достаточно трудоемок [60], но при построении и исследовании систем
регулирования его необходимо произвести, так как оно существенным образом
изменяет свойства СД. При этом насыщение по основному потоку и потокам
рассеяния играют разные роли в рабочих режимах СД. Насыщение по потокам
рассеяния значительно меньше влияет на режимы и параметры СД. При
математическом моделировании можно воспользоваться приближенной
методикой учета насыщения по основному потоку, основанной на кусочнолинейной аппроксимации кривой намагничивания СД. Для этого на основе
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
характеристики холостого хода двигателя E=f(Iв), представленной строят
зависимость Ψ=f(IΣLa).
Модель явнополюсного трехфазного синхронного двигателя в осях d-q с
демпферной обмоткой, построенная в виде структурной схемы, приведена на
рис. 3.9. Данная схема удобна для исследования динамических режимов
синхронного
электропривода.
На
рис.
3.10
представлены
графики
зависимостей ω(t), М(t) при пуске двигателя вхолостую. После разгона
скорость ротора достигает номинального значения, момент двигателя в
установившемся режиме при холостом ходе равен нулю.
f
pп
2π
-
θ
cos
sin
U1max
-1
×
×
Uf
U1q
×
×
U1d
-
-
-
-
-
-
1
p
1
p
1
p
1
p
1
p
Ψдq
Ψдd
Ψf
Ψ1q
Ψ1d
-
Rдq
-
1
Lf
1
L1
LI
LI
1
L 1
1
L дq
1
L дd
Ψ
Ψ
Rдd
-
Rf
R1
-
-
R1
L12q
Iдq
L12d
Iдd
L12d
L12q
L12d
If
I1q
×
×
I1d
-
Рис. 3.9. Структурная схема математической модели трехфазного синхронного двигателя
1
p
3/2pп
Mс -
Mдв
1/J1
1
p
ω1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.10. Графики зависимостей ω(t), М(t) при пуске двигателя вхолостую
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вольдек, А.И. Электрические машины [Текст]: учеб. для студ. высш. техн.
учеб. заведений / А.И. Вольдек. – Л.: Энергия, 1978. – 832 с.
2. Кацман, М.М. Справочник по электрическим машинам [Текст]: учеб. для
студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М.М. Кацман. – М.:
Академия, 2005. – 480с.
3. Вершинин, П.П. Применение синхронных электроприводов в металлургии
[Текст] / П.П. Вершинин, Л.Я. Хашпер. – М.: Металлургия. – 1974. – 272 с.
4. Петров, Г.Н. Электрические машины и трансформаторы [Текст]: учеб. для
вузов / Г.Н. Петров. – М.: Энергия, 1974. – 240 с.
5. Абрамович, Б.Н. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных
двигателей [Текст] / Б.Н. Абрамович, А.А. Круглый. – Л.: Энергоатомиздат. –
1983. – 128 с
6. Гольдберг, О.Д. Испытания электрических машин [Текст]: учеб. для вузов /
О.Д. Гольдберг. – М.: Высш. школа, 2000. – 255 с.
7. Клевцов, А.В. Средства оптимизации потребления электроэнергии [Текст] /
А.В. Клевцов. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 240 с.
8. Копылов, И.П. Электрические машины [Текст]: учеб. для вузов / И.П.
Копылов. – М.: Высш. школа, Логос, 2000. – 607 с.
9. Брускин, Д.Э. Электрические машины [Текст]: учеб. для электротехн. спец.
вузов / Д.Э. Брускин, А.Е Зорохович, В.С Хвостов. – М.: Высш. школа, 1987. – 335
с.
10. Справочник по наладке электроустановок [Текст] / под ред. А.С,
Дорофеюка, А.П. Хечумяна.– М.: Энергия, 1976.– 560 с.
11. Каминский, Е.А. Звезда, треугольник, зигзаг [Текст] / Е.А. Каминский. –
М.: Энергия, 1973. – 104 с.
12. Кацман, М.М. Электрические машины и трансформаторы [Текст]: учеб.
для техникумов / М.М. Кацман. – М.: Высш. школа, 1976. – 181 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. Синхронные электродвигатели: каталог [Текст] / Хельсинки: ABB, 2006. –
28 с.
14. Епифанов, А.П. Электромеханические преобразователи энергии [Текст]:
учеб. пос. / А.П. Епифанов. – СПб.: Лань, 2004. – 208 с.
15. Гольдберг, О.Д. Проектирование электрических машин [Текст]: учеб. /
О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурин, И.С. Свириденко. – М.: Высш. школа, 2001. – 430 с.
16. Вейнгер, А.М. Регулируемый синхронный электропривод [Текст] /
А.М. Вейнгер. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 224 с.
17. Китаев, В.Е. Электрические машины [Текст]: учеб. пос. для техникумов /
В.Е. Китаев, Ю.М. Корхов, В.К. Свирин.– М.: Высш. школа, 1978. – 184 с.
18. Голоднов, Ю.М. Самозапуск электродвигателей [Текст] / Ю.М. Голоднов.
– М.: Энергия, 1981. – 136 с.
19. Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия.
Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества
электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
[Текст]. – Введ. 1999-01-01. – М.: Стандартинформ, 1999. – 32 с.
20. Лищенко, А.И. Синхронные двигатели с автоматическим регулированием
возбуждения [Текст] / А.И. Лищенко. – Киев: Техника, 1969. – 192 с.
21. Абрамович,
Б.Н.
Возбуждение,
регулирование
и
устойчивость
синхронных двигателей [Текст] / Б.Н. Абрамович, А.А. Круглый – Л.:
Энергоатомиздат. – 1983. – 128 с.
22. Гуревич, Ю.Е. Особенности электроснабжения, ориентированного на
бесперебойную работу промышленного потребителя [Текст] / Ю.Е. Гуревич,
К.В. Кабиков.– М.: ЭЛЕКС-КМ, 2005. – 408 с.
23. Правила устройства электроустановок [Текст]: 6-е изд., перераб. и доп. –
СПб.: Деан, 2000. – 926 с.
24. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным
регулированием: учеб. для студ. высш. учеб. заведений [Текст] / Г.Г.
Соколоский. – М.: Академия. – 2006. – 272 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Мещеряков Виктор Николаевич
Шишлин Денис Иванович
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Часть первая
Учебное пособие
Редактор Е.Н. Черникова
Подписано в печать
2012 . Формат 60x84 1/16. Ризография.
Бумага офсетная. Печ. л. 3.8. Тираж 100 экз. Заказ №
Издательство Липецкого государственного технического университета.
Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ.
398600 Липецк, ул. Московская, 30.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
40
Размер файла
1 547 Кб
Теги
синхронный, 227, машина
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа