Электротехника и электроника СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ. Общие сведения о синхронных машинах Синхронные машины являются машинами переменного тока. Синхронные машины. - презентация

1 Электротехника и электроника СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

2 Общие сведения о синхронных машинах Синхронные машины являются машинами переменного тока. Синхронные машины применяют в качестве генераторов и двигателей. В синхронных машинах при установившемся режиме работы ротор и магнитное поле статора вращаются с одинаковой скоростью. Синхронные машины являются обратимыми машинами, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

3 Синхронные генераторы Синхронные генераторы установлены почти на всех электростанциях и служат основным источником электрической энергии для промышленных сетей энергоснабжения. Синхронные генераторы получают механическую мощность и приводятся во вращение гидравлическими, паровыми, газовыми турбинами или, при меньшей мощности, дизелями и двигателями внутреннего сгорания. Синхронные генераторы служат также источником автономного электроснабжения на транспорте, на передвижных электростанциях, на строительных машинах и другой технике.

4 Синхронные двигатели Синхронные двигатели применяют там, где требуется постоянство частоты вращения. Они находят широкое применение в качестве привода прокатных станов на металлургических заводах, компрессоров и насосов на газо - и нефтеперекачивающих станциях магистральных газопроводов, в промышленности строительных материалов. Специальные синхронные двигатели малой мощности используются в устройствах с программным управлением, самопишущих приборах и др.

5 Синхронные компенсаторы Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их способность работать при токе, опережающим по фазе питающее напряжение. Такие двигатели называются синхронными компенсаторами и используются для улучшения параметров, в частности cos φ, электрических сетей.

6 Устройство синхронной машины Синхронные машины независимо от назначения и их использования состоят из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Ротор и статор разделены воздушным зазором.

7 Статор синхронной машины Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя и содержит шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых располагаются фазы трехфазной обмотки статора. Концы обмотки статора выведены на клеммную панель.

8 Общий вид статора синхронной машины

9 Ротор синхронной машины Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который образует магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. На роторе располагается обмотка возбуждения, концы которой через специальные кольца на роторе и неподвижные графитовые щетки подсоединены к источнику постоянного тока, называемому возбудителем.

10 Типы роторов синхронной машины Роторы синхронной машины бывают двух типов: с явно выраженными полюсами; с неявно выраженными полюсами.

11 Устройство явнополюсного ротора

12 Роторы с явно выраженными полюсами Роторы с явно выраженными полюсами применяются в сравнительно тихоходных машинах, число оборотов которых не превышает 1000 об/мин. Такие роторы, например, приводятся в действие тихоходными водяными турбинами ГЭС. На полюсах такого ротора размещаются катушки обмотки возбуждения. У синхронных двигателей с таким ротором витки пусковой короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» закладываются в тело полюсов и по торцам замыкаются кольцами.

13 Ротор с неявно выраженными полюсами Ротор с неявно выраженными полюсами обладает повышенной динамической прочностью, так как выполняется из цельной стальной поковки цилиндрической формы. На внешней поверхности поковки фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

14 Общий вид неявнополюсного ротора

15 Особенности синхронных машин Синхронные машины проектируют и изготавливают так, чтобы количество полюсов магнитного поля ротора и поля, создаваемого обмоткой статора, было одинаковым.

16 Поперечное сечение явнополюсного и неявнополюсного ротора с обмоткой возбуждения

17 Условные обозначения на схемах неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронной машины

18 Принцип действия синхронных машин Принцип действия генератора

19 Работа машины генератором На обмотку ротора подается постоянный ток от возбудителя. Образуется постоянное магнитное поле ротора с полюсами N 0 и S 0.

20 Работа машины генератором Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения приводится во вращение с постоянной частотой n 0 приводным двигателе ПД, создающим вращающий момент М п.дв. При этом вращающееся магнитное поле ротора поочередно пересекает проводники фазных обмоток статора А - X, В - Y, C - Z и по закону электромагнитной индукции наводит в них переменные ЭДС.

21 ЭДС фазы Наведенная ЭДС в одном проводнике фазы e=Blv, где В - магнитная индукция в воздушном зазоре; l - активная длина проводника в пазу статора; v линейная скорость пересечения проводника магнитным полем.

22 Закон изменения ЭДС Индукция В в воздушном зазоре распределяется по синусоидальному закону В = В т sin α, где α = ωt - угол, отсчитываемый от нейтральной линии при вращении ротора с угловой частотой ω. ЭДС, наводимая в одном проводнике, также будет изменяться по синусоидальному закону: е = Blv = Bml v sin α = В т lv sin ωt = Е т sin ωt.

23 Действующее значение ЭДС Если в каждой фазе обмотки статора имеется w витков, то действующее значение ЭДС фазы определяется выражением: E = 4,44 kfw Ф оm, где k обмоточный коэффициент; f= pn 0 / 60 частота наведенных синусоидальных ЭДС; р - число пар полюсов ротора; Ф от - амплитудное значение магнитного потока полюса ротора.

24 ЭДС фаз

25 Схема расположения фаз обмотки статора и диаграмма наведенных ЭДС

26 Переход генератора в режим работы с нагрузкой При переходе генератора в режим работы с нагрузкой сопротивлением Z H по фазам обмотки статора потекут токи, которые создадут вращающееся магнитное поле статора. Ось полюсов статора N - S будет отставать от оси полюсов No S 0 первичного магнитного поля ротора на угол рассогласования θ.. В результате взаимодействия разноименных отстающих полюсов статора и опережающих полюсов ротора на ротор будет действовать момент, направленный против его вращения, т. е. тормозной момент М Т. В установившемся режиме тормозной момент уравновешивает вращающий момент приводного двигателя: М Т = М П.ДВ.

27 Взаимодействие магнитных полей в генераторе

28 Принцип действия двигателя Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных магнитных полюсов двух магнитных полей - статора и ротора. Вращающееся магнитное поле статора с полюсами N и S образуется при питании фаз обмотки статора тремя токами от трехфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя.

29 Взаимодействие магнитных полей в двигателе Если на ротор не действует никакая нагрузка, т. е. момент сопротивлений на роторе М с = 0, то оси магнитных полей статора и ротора совпадают.

30 Работа двигателя под нагрузкой Если же двигатель работает под нагрузкой и на роторе имеется момент сопротивления М с 0 от какого-либо механизма, то ось полюсов ротора сместится от оси полюсов статора в сторону отставания на какой-то угол θ. Таким образом, магнитное поле статора как бы «ведет» за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие F T магнитных сил F удерживают поля ротора и статора и создают вращающий момент М, зависящий от угла рассогласования θ: М = 2F Т R = 2FR sin θ, где R радиус ротора.

31 Реакция якоря в синхронной машине 1. В синхронном генераторе основное магнитное поле и основной магнитный поток Ф создаются обмоткой ротора и если машина работает без нагрузки с отключенной обмоткой статора, то в ней имеется только одно магнитное поле ротора и Ф = Ф о.

32 Реакция якоря в синхронной машине 2. Когда генератор работает под нагрузкой, то появляются токи в фазах обмотки статора. Эти токи создают свое магнитное поле статора, которое можно разделить на две составляющие. Магнитный поток одной части поля охватывает проводники фаз обмотки статора, лежащие в пазах сердечника, и замыкается по стали статора и воздушному зазору. На основное магнитное поле этот поток никакого влияния не оказывает и называется потоком рассеяния статора ФS.

33 Реакция якоря в синхронной машине 3. Магнитные силовые линии второй части поля статора замыкаются по стали статора, воздушному зазору и стали ротора. Естественно, что эта часть магнитного потока, называемого просто потоком статора Ф я, будет накладываться и взаимодействовать с магнитным потоком поля ротора Ф о.

34 Реакция якоря в синхронной машине 4. Явление, заключающееся во взаимодействии магнитных полей ротора и статора генератора называется реакцией якоря. Реакция якоря синхронного генератора сильно зависит от характера нагрузки, подключаемой к машине.

35 Реакция якоря в синхронной машине при активной нагрузке При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС е А фазы АХ обмотки статора и ее ток i A совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось тт 1 магнитного потока ротора Ф о перпендикулярна оси nn 1, катушки фазы АХ. В этом случае ось магнитного потока ротора Ф о опережает ось потока статора Ф я на электрический угол, равный 90°. При этом результирующий магнитный поток машины Ф РЕЗ = Ф о + Ф я (ось q - q 1 ) поворачивается относительно оси тт 1 потока ротора Ф на угол θ в направлении, противоположном направлению вращения ротора n 0.

36 Реакция якоря в синхронной машине при активной нагрузке

37 Реакция якоря в синхронной машине при индуктивной нагрузке При чисто индуктивной нагрузке X L ток в фазе обмотки статора АX отстает от ЭДС фазы на угол 90° и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора N o повернется на 90° по направлению вращения п 0 от оси тт 1. В этом случае магнитный поток статора Ф я оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора Ф о и размагничивает машину: Ф РЕЗ = Ф о - Ф я

38 Реакция якоря в синхронной машине при индуктивной нагрузке

39 Реакция якоря в синхронной машине при емкостной нагрузке При емкостной нагрузке генератора Х с ток в фазе АХ статора опережает ЭДС фазы на 90° и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора N o еще не доходит 90° до оси т т 1. Магнитный поток статора Ф я в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора Ф о и усиливает намагничивание машины: Ф РЕЗ = Ф о + Ф я.

40 Реакция якоря в синхронной машине при емкостной нагрузке

41 Потоки и ЭДС нагруженного синхронного генератора В нагруженном синхронном генераторе существуют три магнитных потока: Ф о - основной поток ротора, Ф я - поток статора и Ф S поток рассеяния статора. Эти магнитные потоки индуцируют в катушке фазы соответственно три ЭДС: Е о от магнитного потока ротора, Е я от потока статора и E s от магнитного потока рассеяния. Следует отметить, что ЭДС Е я и E s пропорциональны вызвавшему их току фазы статора I.

42 ЭДС в комплексной форме где Х я и X s - соответственно индуктивное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора.

43 Уравнение для фазной катушки статора U- фазное напряжение статора; R ф - активное сопротивление фазы статора.

44 Реактивное синхронное сопротивление Сумму реактивных сопротивлений фазы называют реактивным синхронным сопротивлением Х СИН = Х я + X s. Обычно для фазы обмотки статора R Ф < < Х СИН, поэтому падением напряжения на активном сопротивлении фазы можно пренебречь. Тогда уравнение для фазы статора будет Ú = É 0 – jX СИН İ.

45 Схема замещения и векторная диаграмма фазы обмотки статора синхронного генератора

46 Пояснение к векторной диаграмме Если нагрузка генератора активно-индуктивная, то вектор тока İ отстает по фазе от напряжения Ú на угол φ, а вектор индуктивного падения напряжения jX СИН İ опережает вектор тока на угол 90°. Сумма векторов Ú и jX СИН İ даёт вектор ЭДС É 0. Угол θ между векторами Ú и É 0 называется углом нагрузки, а угол между векторами É 0 и İ обозначается ψ 1.

47 Характеристики синхронного генератора Характеристика холостого хода Внешняя характеристика Регулировочная характеристика

48 Характеристика холостого хода Характеристика холостого хода - зависимость ЭДС генератора (фазы) E 0 от тока возбуждения ротора I В при токе фазы статора I = 0 и частоте вращения ротора n Q = const (что равносильно I = const).

49 Внешняя характеристика синхронного генератора Внешней характеристикой называется зависимость напряжения фазы обмотки статора U oт тока статора I, т. е. U=f(I), при I В = const, f = const и коэффициенте мощности cos φ = const или φ = const. Обычно выбирают такое значение тока возбуждения, чтобы при номинальном токе статора I ном напряжение также было номинальным U ном.

50 Регулировочная характеристика синхронного генератора Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения ротора при изменении тока нагрузки генератора, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным, т. е. I В =f(I) при U= const, cos φ = const или φ = const и f (или n) = const.

51 Пуск в ход синхронного двигателя Распространение получил так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления такого пуска на роторе располагается специальная пусковая обмотка, представляющая собой короткозамкнутую обмотку типа беличьей клетки как у ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя. Витки этой обмотки располагаются в полюсах ротора.

52 Схема пуска в ход синхронного двигателя 1. Вначале обмотка постоянного тока ротора (обмотка возбуждения) замыкается на пусковой реостат R n.

53 Пуск в ход синхронного двигателя 2. Затем подается трехфазное напряжение на обмотку статора, по ее фазам начинают проходить токи и создается вращающееся магнитное поле статора. 3. Синхронный двигатель за счет наличия пусковой обмотки трогается с места и начинает разгоняться как асинхронный двигатель.

54 Пуск в ход синхронного двигателя 4.Когда частота вращения ротора синхронного двигателя достигнет примерно 95 % синхронной частоты вращения поля статора n 0, пусковой реостат R n отключают, а обмотку возбуждения ротора подключают к источнику постоянного напряжения U B.

55 Пуск в ход синхронного двигателя 5. По обмотке возбуждения идет постоянный ток, и на роторе образуются магнитные полюса. Так как в это время частота вращения магнитного поля статора незначительно превышает частоту вращения ротора, то разноименные магнитные полюса ротора и поля статора притягиваются к друг другу, а одноименные - отталкиваются.

56 Пуск в ход синхронного двигателя 6. В результате ротор получает некоторое ускорение и после нескольких качаний ротора его частота вращения сравнивается с частотой вращения поля статора и далее остается постоянной (говорят, что двигатель втянулся в синхронизм).

57 Схема замещения и векторная диаграмма фазы обмотки статора синхронного двигателя

58 Пояснения к векторной диаграмме В двигателе ток фазы I протекает от действия фазного напряжения U c, приложенного к обмотке статора от сети, и направлен навстречу ЭДС Е о, которая индуцируется магнитным полем ротора. Трехфазная обмотка статора при подключении к ней питания создает вращающееся магнитное поле статора. Магнитный поток этого поля является потоком якоря и индуцирует в фазе обмотки статора ЭДС реакции якоря и рассеяния.

59 Уравнение для фазы обмотки статора двигателя Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора двигателя, будет иметь следующий вид: Ú c = É 0 – jX СИН İ. Из данного уравнения следует, что противо-ЭДС Е 0 магнитного поля ротора и падение напряжения на индуктивном синхронном сопротивлении фазы уравновешивают напряжение сети U c (предполагается, что активное сопротивление фазы мало).

60 Пояснения к векторной диаграмме В результате приложенного к ротору момента сопротивления нагрузки М с, ось магнитного потока ротора Ф 0 отстает на угол θ от оси результирующего магнитного потока Ф РЕ3. Поэтому в двигательном режиме вектор ЭДС Е о отстает по фазе на угол θ от вектора напряжения сети U c. При построении векторной диаграммы двигателя вектор Ú c принимается за исходный. Вектор тока İ отстает по фазе на 90° от вектора jX СИН İ.

61 Характеристики синхронного двигателя Угловая характеристика - зависимость между электромагнитным моментом синхронного двигателя М и углом рассогласования θ, т. е. М=f( θ). U - образная характеристика - зависимость тока статора от тока возбуждения ротора I = f (I В ), когда момент на валу двигателя M = const.

62 Угловая характеристика синхронного двигателя

63 Векторные диаграммы для фазы обмотки статора синхронного двигателя при разных токах

64 U-образные характеристики синхронного двигателя