§3.1. Синхронная машина с электромагнитным возбуждением

В данном параграфе рассматривается конструкция и принцип работы синхронной машины с электромагнитным возбуждением.

Конструкция.
   Статоры таких машин ничем не отличаются от статоров асинхронных машин с двух- или трехфазной распределенной обмоткой. Роторы могут быть явнополюсные и неявнополюсные.

Рис 3.1

На рис.3.1, а представлена конструктивная схема двухполюсной (р_м = I) синхронной машины с явнополюсным ротором. В корпусе I расположен магнитопровод статора 2 с распределенной двух- или трехфазной обмоткой 3. Магнитопровод ротора 4 изготовлен из листовой или монолитной электротехнической стали. На нем расположена сосредоточенная обмотка возбуждения 5, которая подключается к источнику постоянного тока через два контактных кольца 6, установленных на валу 9, и щетки 7. В специальных пазах полюсных наконечников ротора уложена короткозамкнутая обмотка типа "беличьей клетки" 8, являющаяся в режиме двигателя пусковой обмоткой. Характерным для явнополюсных синхронных машин является неравенство магнитных сопротивлений по продольной d и поперечной q осям машины ( R_Md≠R_Mq). В машинах с большой угловой скоростью по соображениям механической прочности ротор делается неявнополюсным (рис.3.1, б); у таких машин R_Md=R_Mq.

Принцип действия синхронного генератора.
   По обмотке возбуждения индуктора пропускается постоянный ток, она создает постоянный ток возбуждения Ф₀ – основной поток машины (рис.3.1,а).
   Индуктор приводится во вращение внешним устройством с угловой
скоростью ω₂. Вращающийся с ротором поток Ф₀ наводит в обмотках фаз якоря ЭДС вращения Е₀, изменяющиеся с частотой

f = ω₂ Р_М/2π   (3.1)

При синусоидальном законе распределения индукции в воздушном зазоре закон изменения ЭДС во времени также будет синусоидальным. Сдвиг фазных ЭДС во времени при трехфазной обмотке якоря равен 120°. При подключении на выводы якоря приемника электрической энергии машина начинает отдавать энергию переменного тока. В этом случае по обмотке якоря начинает протекать трехфазная система токов и возникает вращающееся поле якоря Ф₁. Угловая скорость этого поля в соответствии с (3.1) равна ω₁=2πf/Р_М=ω₂, т.е. поля якоря и индуктора вращаются с одинаковой угловой скоростью. В результате взаимодействия полей создается электромагнитный момент, направленный встречно внешнему. Следовательно, происходит потребление механической энергии от внешнего источника.

Принцип действия синхронного двигателя.

Рис 3.2

Обмотка статора подключается к трехфазной сети переменного тока с частотой f и обмотка создает магнитное поле ω₁, вращающееся с угловой скоростью ω₁=2πf/Р_М (рис.3.2, а). Индуктор создает постоянный поток возбуждения Ф₀. При вращении ротора с постоянной скоростью ω₂=ω₁ поля статора и ротора неподвижны друг относительно друга и в результате их взаимодействия создается электромагнитный момент M_эм. Если ротор отстает по углу от поля статора, то момент направлен в сторону вращения ротора (является вращающим) и с вала двигателя снимается механическая энергия.
   Более наглядно процесс возникновения электромагнитного момента можно рассмотреть на статической модели (рис.3.2, б, в), в которой статор и ротор заменены неподвижными постоянными магнитами. В положении, изображенном на рис.3.2,б, угол между полями статора и ротоpa равен нулю, силы притяжения разноименных полюсов статора и ротора Fэм не имеют тангенциальной составляющей и M_эм=0. Ротор находится в положении устойчивого равновесия. Повернем ротор относительно полюсов статора на угол γ (рис. 3.2, в). У сил притяжения F_эм появляются тангенциальные составляющие F_t ,и создается момент М_эм, стремящийся вернуть ротор в исходное положение. Нетрудно заметить, что максимальное значение момента будет при γ = 90°. При γ= 180° момент М_эм снова равен нулю, но это положение неустойчивого равновесия ротора, т.к. между одноименными полюсами статора и ротора действуют силы отталкивания. Достаточно малейшего отклонения угла γ от 180° и эти силы вернут ротор в положение γ = 0 (понятия положений устойчивого и неустойчивого положений ротора соответствуют аналогичным понятиям у обычного физического маятника).
   Следовательно, в первом приближении можно считать, что в синхронном двигателе с электромагнитным возбуждением электромагнитный момент изменяется по закону М_эм=М_мaxsin γ. Этот момент М_эм часто называют синхронизирующим. При числе пар полюсов р_м> I вместо угла γ должен быть взят электрический угол γ_э= р_м γ. В соответствии с уравнением равновесия моментов в установившемся режиме М_эм= М_ст= М₀+М_н. Значит, чем больше момент нагрузки М_н на валу двигателя, тем на больший угол отстает ротор от поля статора. Значение момента сопротивления М_ст не должно превышать М_мax, т.к. в противном случае равновесие моментов не устанавливается при любых значенияхγ в диапазоне от 0° до 360° и ротор выходит из синхронизма – начинает отставать от поля статора по угловой скорости. Поэтому М_мax называют моментом выхода из синхронизма. Практически рабочий диапазон моментов выбирается таким образом, чтобы γ не превышал 20° –30°.

Пуск синхронных двигателей.
    У синхронных двигателей без пусковой обмотки среднее значение пускового момента, развиваемого двигателем, равно нулю. Объясняется это тем, что при ω₂≠ω₁ угол γ=(ω₁-ω₂)р_мt, т.е. при ω₂=0 изменяется во времени с частотой ω=2πf. С этой частотой изменяется и мгновенное значение электромагнитного момента, направление момента дважды изменяется за период оборота поля статора. Ротор, обладающий значительным моментом инерции, за полпериода не может успеть разогнаться до синхронной скорости: под действием пульсирующего момента он вибрирует в положении устойчивого равновесия и во вращение не приходит. Поэтому для пуска синхронных двигателей применяются специальные способы, наиболее распространенным из которых является асинхронный способ пуска (рис.3.З, а).

Рис. 3.3

Для реализации этого способа на роторе двигателя, как уже отмечалось, располагается короткозамкнутая пусковая обмотка П. В начальный период пуска (переключатель Пер в положении 1) обмотка возбуждения В ротора отключена от источника и замкнута на сопротивление с целью снятия перенапряжении и создания дополнительного пускового момента. Двигатель работает как обычный асинхронный двигатель, и под действием асинхронного пускового момента ротор начинает разгоняться (рис.3.3, б). При достижении угловой скорости ω₂≈0.95ω₁ переключатель переводится в положение II. Появляется поток возбуждения индуктора, и создается синхронный электромагнитный момент. Частота пульсаций этого момента (ω₁-ω₂)р_м близка к собственной частоте ротора, ротор начинает раскачиваться и в процессе качаний входит в синхронизм. Наибольший момент сопротивления, при котором ротор еще втягивается в синхронизм, называется моментом входа. Реверсирование двигателя осуществляется изменением направления вращения магнитного поля.

Векторная диаграмма синхронного двигателя.
    Взаимодействие магнитных потоков индуктора Ф₀ и якоря Ф₁ приводит к возникновению в возбужденной машине результирующего магнитного поля. Воздействие МДС якоря на результирующее магнитное поле называется реакцией якоря.
   Анализ работы синхронных машин обычно проводят на основе теории двух реакций. При этом поток якоря Ф₁ раскладывается на две составляющие: продольный поток Ф_1d, совпадающий по направлению с продольной осью индуктора, и поперечный поток Ф_1q, перпендикулярный к Ф_1d. Потоки Ф_1d и Ф_1q считают существующими независимо друг от друга и от потока возбуждения Ф₀. Потоки Ф₀, Ф_1d, Ф_1q и поток рассеяния статора Ф_σ1 наводят в обмотке якоря ЭДС Е₀, Е_1d, Е_1q, и E_σ1, отстающие по фазе на 90° от соответствующих потоков.
   Уравнение равновесия ЭДС и напряжений на фазу обмотки статора составляют по второму закону Кирхгофа в форме, аналогичной уравнению для первичной обмотки трансформатора:

Ú₁= – É₀– É_1d – É_1q – É_σ1 +Í₁R₁   (3.2)

где Ú₁ - фазное напряжение питания статора; R₁ -активное сопротивление обмотки фазы статора.
Потоки Ф _1d и Ф_1qсоздаются соответствующими составляющими тока якоря Í_d и Í_q, причем

Í₁ = Í_d + Í_q    (3.3)

ЭДС от потоков якоря и потока рассеяния можно представить как падения напряжения на соответствующих индуктивных сопротивлениях

É_1d = -j Í_dX_1d ; É_1q = -j Íq X_1q; É_σ1= -j Í1 x₁ (3.4)

где X_1d и X_1q - индуктивные сопротивления продольной и поперечной реакции якоря; x1 - индуктивное сопротивление рассеяния.
   Преобразуем выражение (3.2) с учетом (3.4) и (3.З) и получаем

Ú₁= - É₀+ j Í_dX_d + j Íq X_q + Í₁R₁    (3.5)

где X_d= X_1d+x₁ и X_q=X_q1+x₁ - синхронные индуктивные сопротивления машины по продольной и поперечной осям.
   В неявнополюсных машинах обычно X_d=X_q, в явнополюсных X_d≠X_q, т.к. не равны магнитные сопротивления R_mdи R_mq Величины X_d и X_q определяются как индуктивные сопротивления обмотки фазы статора при совпадении её оси с соответствующей остью ротора.
   Пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора, на основании уравнения (3.5) можно построить упрощенную векторную диаграмму синхронного двигателя. Для перевозбужденного двигателя, у которого по обмотке статора протекает опережающий активно-емкостной ток, т.е. угол между основной ЭДС и током статора ψ<0, векторная диаграмма изображена на рис. 3.4.

Рис 3.4

Электромагнитный момент синхронного двигателя.
    Активная мощность, потребляемая симметричным двигателем из сети, равна

P₁=m₁U₁I₁cosφ    (3.6)

где m₁ - число фаз двигателя; φ - сдвиг по фазе между U₁ и I₁.
   Электромагнитная мощность, передаваемая со статора на ротор магнитным полем и соответствующая электромагнитному моменту, P_эм=Р₁- ΔР_э1 - ΔР_м, где ΔР_э1 - электрические потери в обмотке статора; ΔР_м - магнитные потери.
Если пренебречь потерями ΔР_э1 и ΔР_м, то

P_эм≈Р₁=m₁U₁I₁cosφ    (3.7)

На векторной диаграмме (рис.3.4), построенной при тех же допущениях, угол φ = ψ - θ, где θ – сдвиг по фазе между U₁ и Е₀. С учетом этого выражение (3.7) преобразуется к виду

P_эм= m₁U₁I₁cos ψ cos θ + m₁U₁I₁sin ψ sinθ    (3.8)

В соответствии с той же векторной диаграммой можно записать

U₁cos θ = Е₀ – Í_dX_d = Е₀– Í₁ sin ψX_d    (3.9)
U₁sin θ = Í_dX_q = Í₁ cosψ X_q

На основании (3.9) записываем выражения для Í₁ sin ψ и Í₁ cosψ, подставляем их в (3.8) и, поскольку электромагнитный момент синхронного режима М_эм = Р_эм/ω₁, получаем

М_эм =m₁(U₁E_o/ω₁X_d)sinθ +m₁(U₁² /2ω₁)(1/X_q – 1/X_d)sin 2θ   (3.10)

В соответствии с принципом обратимости электрических машин выражение (3.10) справедливо и для режима генератора, с той лишь разницей, что знаки θ и М_эм будут отрицательными.
Как видно из (3.10), электромагнитный момент имеет две составляющие. Первая (основная синхронная) определяется взаимодействием полей статора и ротора:

М_c = m₁ ( U₁E_o/ω₁X_d )sinθ   (3.11)

и имеет место только в возбужденной машине (при E_o≠0).
    Вторая (реактивная) составляющая возникает и в невозбужденной машине, но только при условии X_d≠X_q:

М_p = m₁(U₁² /2ω₁)(1/X_q – 1/X_d)sin 2θ    (3.12)

В возбужденных синхронных двигателях реактивная составляющая обычно значительно меньше основной, при принятых допущениях ( R₁ =0) временной угол θ (рис.3.4) между U₁ и E₀ примерно равен пространственному углу между результирующим потоком машины и осью полюсов ротора, поскольку сдвиг по фазе между Ф₀ и E₀ равен 90°, а между результирующим потоком и U₁ примерно равен 90°. Значение этого угла, как следует из принципа работы двигателя, зависит от момента нагрузки, поэтому угол θ называют часто углом нагрузки.
   Угловая характеристика двигателя (зависимость M_эм от θ ), соответствующая уравнению (3.10), изображена на рис. 3.5 сплошной линией.

Рис. 3.5

Эта характеристика построена как сумма основной (штрих-пунктирная кривая М_c) и реактивной (пунктирная кривая М_p ) составляющих для случая X_d > X_q. При X_d< X_q знак момента М_p меняется на противоположный (см.(3.12)), что сказывается и на результирующем моменте M_эм.

   Рабочие характеристики двигателя.
    Вид рабочих характеристик синхронного двигателя в значительной мере зависит от степени возбуждения машины, т.е. соотношения E₀/U₁. Изменение степени возбуждения путем регулирования тока возбуждения I_в при неизменном моменте и напряжении питания U₁ существенно сказывается на значении и фазе тока статора I₁ (рис. 3.6,а – U- образная характеристика).

Рис 3.6

Номинальный ток возбуждения I_{в. ном} обеспечивает создание результирующего магнитного потока машины, соответствующего приложенному напряжению U₁, без участия МДС статора. При этом ток статора активный (φ = 0) и коэффициент мощности двигателя cosφ = 1. При недовозбуждении ( I_в< I_{в. ном} ) в токе статора появляется отстающая (индуктивная, φ> 0) составляющая, подмагничивающая машину. При перевозбуждении ( I_в> I_{в. ном} ) в токе статора появляется опережающая (емкостная, φ< 0 ) составляющая, размагничивающая машину. Это делает целесообразным использовать синхронные двигатели в режиме перевозбуждения для повышения соs φ систем энергопитания путем компенсации опережающими реактивными токами синхронных двигателей отстающих реактивных токов асинхронных двигателей или трансформаторов, включенных в ту же систему. Следует отметить, что конкретное значение I_в, при котором φ=0, тем больше, чем больше момент двигателя. На рис. 3.6,б показаны основные рабочие характеристики синхронного двигателя в режиме перевозбуждения. Если I_в выбран таким, чтобы при Р₂ = Р_ном коэффициент мощности cos φ был близок к максимальному (с φ< 0 ), то при уменьшении нагрузки в статоре растет реактивная опережающая составляющая и cos φ уменьшается. Кривая КПД η имеет вид, характерный для всех электрических машин. Потребляемая мощность Р₁ растет практически пропорционально Р₂. Ток I₁ растет нелинейно за счет большой реактивной составляющей, особенно при холостом ходе.