А) Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря.

Синхронные машины

Генераторы переменного тока, работающие на электрических станциях, в большинстве случаев являются синхронными машинами. Эти машины применяются также в качестве двигателей. Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы и двигатели.

Синхронная машина в обычном исполнении состоит из неподвижной части — статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка, и вращающейся части — ротора с электромагнитами, к обмотке которых подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щеток (рис. 4-1).

Рис. 4-1. Явнополюсная синхронная машина (2p = 8).

Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины. Ротор её выполняется или явнополюсным (с выступающими полюсами, рис. 4-1), или неявнополюсным (цилиндрический ротор, рис. 4-2).

Рис. 4-2. Неявнополюсная синхронная машина (2p = 2).

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, применяются названия: паротурбинный генератор или сокращенно турбогенератор (первичный двигатель — паровая турбина), гидротурбинный генератор или сокращенно гидрогенератор (первичный двигатель — гидравлическая турбина) и дизель-генератор (первичный двигатель — дизель).

Турбогенераторы — быстроходные неявнополюсные машины (рис. 4-2), выполняемые в настоящее время, как правило, с двумя полюсами. Турбогенератор вместе с паровой турбиной, с которой он механически соединяется называется турбоагрегатом (рис. 4-3).

Рис. 4-3. Общий вид турбоагрегата.
1-турбогенератор; 2 —паровая турбина. 3 — возбудитель.

Гидрогенераторы — в обычных случаях тихоходные явнополюсные машины (рис. 4-1), выполняемые с большим числом полюсов и с вертикальным валом (рис. 4-4).

Рис. 4-4. Общий вид гидроагрегата.

Дизель-генераторы представляют собой в большинстве случаев машины с горизонтальным валом.

Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняются с неподвижными электромагнитами, помещенными на статоре, и обмоткой переменного тока, заложенной в пазы ротора, изготовленного из листовой электротехнической стали; в этом случае обмотка переменного тока соединяется с внешней цепью через контактные кольца и щетки (рис. 4-5).

Рис. 4-5. Синхронная машина с неподвижными электромагнитами.

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится э.д.с., принято называть якорем. Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее иногда называют индуктором.

В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор — полюсной системой.

Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на большие мощности и высокие напряжения.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока в обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю [(0,3 2)%] номинальной мощности машины.

Кроме того, нужно отметить, что в современных мощных турбогенераторах, работающих с частотой вращения 3000 об/мин, окружная частота ротора достигает 180 185 м/сек; при такой частоте не представлялось бы возможным выполнить вращающийся якорь, собранный из тонких листов, механически достаточно прочным.

Ротор современного турбогенератора выполняется из цельной стальной поковки (рис. 4-6), причем берется сталь весьма высокого качества.

Рис. 4-6. Общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора. По бокам ротора расположены вентиляторы.

Катушки обмотки возбуждения закладываются в пазы, выфрезерованные на внешней поверхности ротора, и закрепляются в пазах прочными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки возбуждения закрываются кольцевыми бандажами, выполненными из особо прочной стали.

Ток для питания обмотки возбуждения синхронная машина получает обычно от небольшого генератора постоянного тока, помешенного на общем валу с ней или механически с ней соединенного. Такой генератор называется возбудителем. В случае

мощного турбогенератора вал возбудителя с валом турбо генератора соединяется при помощи полуэластичной муфты.

Схема соединений возбудителя с обмоткой возбуждения синхронной машины показана на рис. 4-7.

Рис. 4-7. Схема возбуждения синхронной машины.

В качестве возбудителя в большинстве случаев служит генератор постоянного тока с параллельным возбуждением (см. § 5-9,в). В последние годы для получения постоянного тока, необходимого для возбуждения синхронной машины, используются также различные выпрямители — ртутные, полупроводниковые и механические.

Частота тока, наведенного в обмотке якоря, определяется частотой вращения п, об/мин, и числом пар полюсов р ротора: Гц. Таким образом, для получения стандартной частоты f = 50 Гц нужно, например, при 2р = 2 иметь частоту вращения п = 3000 об/мин (с такой частотой работают почти все современные турбогенераторы), при 2р = 72 п = = 83,3 об/мин (с такой частотой работают днепровские гидрогенераторы).

Синхронные двигатели, как правило, выполняются в виде явнополюсных машин обычно на мощности от 100 кВт и выше и на самые различные частоты вращения. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с асинхронными двигателями, особенно при большой мощности и низкой частоте вращения, так как могут работать с соs φ = 1 или с опережающим током, улучшая в последнем случае соs φ = 1 всей электроустановки.

Наряду с синхронными генераторами и двигателями применяются также синхронные компенсаторы. Они представляют собой синхронные двигатели, работающие вхолостую (без нагрузки на валу) и позволяющие в широких пределах изменять потребляемый ими реактивный ток. Последнее достигается, как будет показано, путем изменения тока возбуждения синхронных компенсаторов, которые в большинстве случаев работают, потребляя опережающий реактивный ток, т. е. как конденсаторы. Они служат для компенсации сдвига фаз тока и напряжения (для улучшения соsφ) или для регулирования напряжения, например в конце линии электропередачи.

Режим работы синхронной машины, для которого она предназначена, характеризуется указанными на ее щитке номинальными величинами. На щитке синхронной машины указываются: 1) для какого режима работы машина предназначается (генератор, двигатель или компенсатор); 2) мощность (для генератора — кажущаяся мощность в В·А или кВ·А, а также — активная мощность в Вт или кВт; для двигателя — мощность на валу в Вт или кВт; для компенсатора— реактивная мощность при опережающем токе в В·А или кВ·А); 3) линейный ток в А; 4) линейное напряжение в В или кВ; 5) соsφ; 6) число фаз; 7) соединение обмотки статора (звезда или треугольник); 8) частота тока в Гц; 9) частота вращения ротора в об/мин; 10) напряжение возбуждения; 11) наибольший допустимый ток возбуждения в А (за номинальный ток возбуждения принимается ток, соответствующий номинальному режиму работы).

Следует отметить, что если для трансформатора допустимая нагрузка вполне определяется кажущейся мощностью в кВ·А, то для синхронного генератора отдаваемая им мощность в киловольт-амперах не вполне определяет его допустимую нагрузку. Необходимо указать также допустимый соsφ нагрузки генератора при отстающем токе. Последнее объясняется тем, что при работе генератора с отстающим током размагничивающее действие этого тока на основное поле будет тем больше, чем ниже соsφ, а потому, чем ниже соsφ, тем больший ток возбуждения требуется для поддержания на зажимах генератора номинального напряжения.

Мы вначале будем рассматривать работу синхронной машины в режиме генератора. При этом будем иметь в виду, что синхронная машина (как любая другая электрическая машина) обратима и что основные электромагнитные процессы в ней одинаковы независимо от того, работает ли она в режиме генератора или двигателя.

Различие между тем и другим режимами заключается в том, что в генераторе сдвиг между э.д.с. обмотки якоря и ее током меньше 90°, а в двигателе тот же сдвиг больше 90°. Вследствие этого электромагнитный момент, действующий на ротор, в генераторе направлен против вращения, а в двигателе в сторону вращения.

4-2. Холостой ход

Под холостым ходом генератора понимается такой режим его работы, при котором ток в обмотке якоря (статора) равен нулю. Следовательно, магнитное поле в синхронном генераторе при холостом ходе создается только н.с. обмотки возбуждения. Мы можем принять, что оно состоит из двух полей: основного поля, магнитные линии которого проходят через воздушный зазор и сцепляются с обмоткой статора, и поля рассеяния полюсов, магнитные линии которого сцепляются только с обмоткой возбуждения.

Основному полю соответствует поток в воздушном зазоре Ф, который при вращении полюсов будет наводить в обмотке якоря э.д.с. Важно, особенно для машин большой мощности, чтобы кривая этой э.д.с. была возможно ближе к синусоиде.

По ГОСТ 183-55 проверка синусоидальности кривой делается для линейного напряжения при холостом ходе и при рабочем соединении обмотки якоря. Критерием для оценки кривой напряжения служит коэффициент искажения синусоидальности кривой, под которым понимается выраженное в процентах отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд трех наибольших. гармонических составляющих данной периодической кривой к амплитуде ее основной гармонической. При номинальном напряжении он не должен превышать 5% для генераторов мощностью свыше 1000 кВ·А и 10% для генераторов мощностью от 10 до 1000 кВ·А. В отдельных специальных случаях требования в отношении приближения кривой напряжения к синусоидальной могут быть еще более повышены согласно особым условиям, установленным между заказчиком и поставщиком машины.

Для получения кривой э.д.с., близкой к синусоиде, прежде всего необходимо, чтобы кривая поля машины была по возможности синусоидальной. В явнополюсной машине, как указывалось, этого добиваются, придавая надлежащую форму очертанию полюсного наконечника (той части полюса, которая обращена к якорю). В неявнополюсных машинах на роторе выбирается такое соотношение между частью его окружности, не имеющей пазов, и частью окружности с пазами, чтобы в кривой поля снизились амплитуды наиболее резко выраженных высших гармоник.

Кроме того, обмотка якоря выполняется с укороченным шагом, что в значительной степени способствует улучшению формы кривой наведенной э.д.с. (см. § 3-3,е). В неявнополюсных машинах (турбогенераторы) тому же самому способствует выбор большого числа пазов на полюс и фазу (q = 6 12).

В тихоходных явнополюсных машинах (например, гидрогенераторы с вертикальным валом) при большом числе полюсов полюсное деление τ получается недостаточным для размещения на нем большого числа пазов, а потому приходится для таких машин часто брать q < 3. В этом случае при открытых пазах на якоре и при q, равном целому числу, в кривой э.д.с. фазы могут иметь место так называемые зубцовые гармоники с относительно большими амплитудами. Они в основном возни кают из-за поперечных колебаний поля в воздушном зазоре, обусловленных зубчатостью якоря. Такие колебания поля вправо и влево относительно оси полюсов (рис. 4-8) происходят с частотой , так как при перемещении ротора на одно пазовое деление якоря t_с получается полный период колебания.

Рис. 4-8. Картина поперечных колебаний поля в воздушном зазоре.

Соответственно этим колебаниям поля будет изменяться потокосцепление фазы, и, следовательно, в ней будет наводиться э.д.с той же частоты f_г (кроме э.д.с. от первой и высших гармоник основного поля). Поэтому кривая э.д.с. получает вид, представленный на рис. 4-9.

Рис. 4-9. Осциллограмма э.д.с. синхронной машины при наличии зубцовых гармоник

Зубцовые гармоники в кривой э.д.с. больших машин, особенно в тех случаях, когда они работают на длинные линии электропередачи, должны быть сведены по возможности до ничтожных значений. Они нежелательны потому, что могут вызвать перенапряжения резонансного характера и создать мешающие шумы в линиях связи, расположенных вблизи и вдоль линий электропередачи.

Амплитуды зубцовых гармоник не изменяются при укорочении шага, так как укорочение шага мы можем сделать только на целое число пазовых делений Поэтому приходится применять другие способы их уменьшения Достаточно эффективным способом, главным образом и применяемым в настоящее время для мощных явнополюсных машин, является выполнение обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу. В этом случае катушечные группы, составляющие фазу обмотки, состоят из различных чисел катушек; поэтому зубцовые гармоники э.д.с., наведенные в них, оказываются сдвинутыми по фазе на большой угол, близкий к 180^o, что и приводит к уменьшению их амплитуды.

Практически мы можем считать, что изменение во времени потокосцеплений обмотки статора получается близким к синусоидальному. Поэтому мы можем поток Ф и наведенную им э.д.с., так же как для трансформатора, изобразить временными векторами.

При наличии на статоре трехфазной обмотки в ее фазах будут наводиться э.д.с., сдвинутые по фазе на 120°. Значение фазной э.д.с. может быть рассчитано по такой же формуле, как и для асинхронной машины (см. § 3-3):

. (4-1)

Большое значение при исследовании синхронной машины имеет характеристика холостого хода. Она представляет собой зависимость э.д.с. E₀, наведенной в обмотке якоря при холостом ходе, от тока I_в (или от н.с. F_в) обмотки возбуждения при постоянной номинальной частоте вращения, n = const (рис. 4-10).

Рис. 4-10. Характеристика холостого хода, E₀ = f(I_в) при п = const.

Так как при п = const (следовательно, f = const) э.д.с. Е₀ согласно (4-1) пропорциональна Ф, то та же кривая в другом масштабе представляет собой магнитную характеристику, Ф = f(F_в).

Характеристика холостого хода может быть получена путем расчета магнитной цепи машины для различных значений потока Ф и, следовательно, э.д.с. E₀. Магнитная цепь машины состоит из пяти участков: воздушного зазора, зубцового слоя статора, его ярма, полюсов (зубцового слоя ротора для неявнополюсных машин) и ярма ротора (рис. 4-11).

Рис. 4-11. Магнитная цепь явнополюсной синхронной машины.

Зная сечения этих участков, определяем индукции B в них. Затем по кривым намагничивания для данных сортов стали находим соответствующие напряженности поля H. Умножив Н на длины участков, получим магнитные напряжения, сумма которых определяет н.с. обмотки возбуждения. Наибольшее магнитное напряжение здесь приходится на воздушный зазор: оно составляет 86 92% от н.с. обмотки возбуждения при E₀ = U_н.

Характеристика холостого хода может быть также получена опытным путем. Для этого нужно при номинальной частоте вращения синхронной машины, приводимой во вращение каким-нибудь первичным двигателем, изменять ток возбуждения I_в от нуля до некоторого максимума и затем от данного максимума опять до нуля. Измеренная при этом зависимость э.д.с. E₀ от тока возбуждения I_в изобразится двумя ветвями характеристики: восходящей и нисходящей. Вторая пойдет несколько выше первой. Однако расхождение между ними, обусловленное гистерезисом в полюсах и ярме ротора, невелико; можно за истинную характеристику холостого хода считать кривую, проведенную посередине между ее ветвями.

Синхронные машины часто включаются на параллельную работу. При такой работе не должны возникать уравнительные токи между машинами из-за различия форм кривых их э.д.с. e = f(t). Это условие наряду с другими вызвало необходимость стандартизовать кривую e = f(t) и выбрать в качестве стандартной синусоиду. При синусоидальных э.д.с. токи также будут практически синусоидальными. В этом случае значительно улучшаются условия работы машин, аппаратов, сетей, так как уменьшаются потери, вызванные магнитными полями токов, становится меньше опасность возникновения перенапряжений резонансного характера, ослабляется вредное воздействие линий электропередачи на линии связи.

4-3. Трехфазный синхронный генератор. Симметричная нагрузка

Рассмотрим здесь работу трехфазного синхронного генератора при симметричной нагрузке, когда векторы фазных токов равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°. При этом будем иметь в виду одиночную работу генератора, когда он работает на свою собственную сеть независимо от других синхронных машин.

4-3.1. Реакция якоря

Токи в обмотке якоря создают н.с., которая будет вращаться относительно якоря в ту же сторону и с такой же частотой, что и н.с. обмотки возбуждения. Действительно, частота вращения н.с. якоря , а частота тока якоря , где п_п — частота вращения

полюсов; отсюда, подставляя в первое равенство значение f из второго равенства, найдем, что n_я = п_п; направление вращения н.с. якоря зависит от порядка чередования фаз его обмотки (например А — В — C), а этот порядок чередования определяется направлением вращения полюсов.

Таким образом, н.с. якоря и н.с. обмотки возбуждения неподвижны одна относительно другой. Поле машины при нагрузке будет создаваться совместным действием обеих н.с. Оно будет отличаться от поля при холостом ходе.

Воздействие н.с. якоря на поле машины называется реакцией якоря.

Вначале будем рассматривать реакцию якоря, имея в виду качественную сторону этого явления. Количественный учет реакции якоря, так же как и внутренних падений напряжения в обмотке якоря, производится при помощи векторных диаграмм, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

Синхронный генератор может работать с отстающим или опережающим током по отношению к э.д.с. , наведенной потоком полюсов , или с током, совпадающим по фазе с э.д.с. .

Рассмотрим реакцию якоря при токе, совпадающем по фазе с э.д.с. На рис. 4-12,а₁ изображены векторы тока , э.д.с. и потока полюсов .

Рис. 4-12. Реакция якоря.
а — при ψ = 0; б — при ψ = ; в — при ψ = - .

Угол между и , который будем обозначать через ψ, равен нулю. Здесь под э.д.с. понимается та э.д.с., которая наводится в обмотке якоря потоком полюсов (потоком воздушного зазора) при холостом ходе. На рис. 4-12,а₂ показаны полюсы машины и ее статор с одной фазой, причем фаза здесь заменена одной катушкой. Приданном положении фазы относительно полюсов наведенная в ней э.д.с. будет максимальной, так как поток полюсов, пронизывающий катушку в рассматриваемый момент времени, проходит через нулевое значение. Ток в фазе при j = 0 будет также максимальным. Ранее из рассмотрения созданной трехфазной обмоткой вращающейся н.с. было установлено, что ее ось (ее амплитуда) совпадает с осью той фазы, ток которой имеет максимальное значение (см § 3-4,б). Следовательно, ось н.с. совпадает с осью катушки, показанной на рис. 4-12,а₂.

На этом рисунке показаны индукционные линии поля, созданного обмоткой якоря. Их направление найдено по правилу буравчика в соответствии с направлением наведенного тока, которое определено по правилу правой руки. На рис. 4-12,а₂ видно, что поле якоря по отношению к оси полюсов является поперечным. Намагничивающая сила якоря будет ослаблять поле на набегающей половине полюса и усиливать его на сбегающей половине полюса.

Рассмотрим реакцию якоря при токе , отстающем на 90° от э.д.с. (рис. 4-12,б₁).

Рис. 4-12. Реакция якоря.
а — при ψ = 0; б — при ψ = ; в — при ψ = - .

На рис. 4-12, б₂ показано положение катушки (фазы) относительно полюсов для момента времени, когда ток катушки имеет максимальное значение. Ток катушки достигает максимального значения на четверть периода позднее, чем э.д.с., т. е. после того как полюсы сдвинутся вправо на половину полюсного деления относительно того положения, при котором э.д.с. имеет максимальное значение. В рассматриваемом случае, как видно из рис. 4-12, б₂, ось катушки совпадает с осью полюсов; следовательно, здесь н.с. и поле якоря будут продольными (действующими по оси полюсов). Намагничивающая сила якоря будет ослаблять поле, т. е. действовать размагничивающим образом.

Рассмотрим реакцию якоря при токе , опережающем э.д.с. на 90° (рис. 4-12,в₁). Здесь ток будет иметь максимальное значение на четверть периода ранее, чем э.д.с., т е. в катушке он будет максимальным тогда, как полюсы расположатся относительно катушки так, как показано на рис. 4-12,в₂. Направление тока будет, очевидно, такое же, как и направление э.д.с., спустя четверть периода. На рис. 4-12,в₂ видно, что н.с. якоря в этом случае будет также продольной (действующей по оси полюсов). Но она будет усиливать поле машины, т. е. будет действовать намагничивающим образом.

В общем случае, когда угол сдвига тока относительно э.д.с. больше нуля, но меньше по абсолютному значению 90°, ток можно разложить на две составляющие Isinj и Icosj (рис. 4-13,a₁ и б₁) и рассматривать отдельно действие н.с., создаваемых каждой из этих составляющих (F_d и F_q на рис. 4-13,а₂ и б₂, где F_a — н.с. якоря; ее ось совпадает с осью фазы, имеющей максимальный ток I_м).

Рис. 4-13. Реакция якоря при j¹90°.
а₁, а₂ — при отстающем токе (j>0), б₁, б₂ — при опережающем токе (j<0) (F_d — продольная н.с. якоря; F_q —поперечная н.с. якоря).

Таким образом, приходим к следующим выводам: в генераторе при отстающем токе реакция якоря будет размагничивающей, а при опережающем токе — намагничивающей.

Рассмотрев реакцию якоря с качественной стороны, вначале выясним, какие поля будут иметь место в машине при ее нагрузке и что собой представляют внутренние падения напряжения в обмотке якоря. После этого перейдем к рассмотрению векторных диаграмм.

При холостом ходе поле в машине создается, как уже отмечалось, только обмоткой возбуждения. Большая часть индукционных линий этого поля проходит по главной магнитной цепи машины (воздушный зазор, зубцовый слой и ярмо статора, полюсы и ярмо ротора). Эту часть поля можно по аналогии с трансформатором назвать основным полем или полем взаимной, индукции. Ему соответствует поток в воздушном зазоре или поток полюсов Ф₀. Поток полюсов и наведенную им э.д.с. мы изобразили временными векторами Ф₀ и Е₀ (рис. 4-12, а₁, б₁, в₁).

Аналогию между трансформатором и синхронной машиной можно распространить и на работу машины с нагрузкой, так как в этом случае поле будет создаваться совместным действием н.с. обмоток возбуждения и якоря. Обе эти н.с. и создаваемое ими поле, неизменные во времени, но вращающиеся в пространстве, будут эквивалентны соответствующим н.с. и полю, переменным во времени, но неподвижным относительно обмотки якоря. Поэтому можно считать, что пространственный сдвиг между осями н.с., равный углу 90° + ψ (рис. 4-13), соответствует такому же сдвигу по фазе (во времени) этих н.с.

Синхронная машина, работающая с постоянным током возбуждения, аналогична трансформатору последовательного включения (трансформатору тока), работающему с постоянным первичным током.

4-3.2. Активное и индуктивное сопротивления обмотки якоря

а) Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря.

Понятие индуктивного сопротивления рассеяния как некоторого параметра обмотки якоря синхронной машины аналогично тому же самому понятию в применении к обмотке статора асинхронной машины.

Поле рассеяния якоря можно представить себе сцепленным только с обмоткой якоря и не зависящим от других полей машины. Магнитные линии этого поля проходят между стенками пазов, между коронками зубцов статора и вокруг лобовых частей его обмотки. Можно считать, что потокосцепление рассеяния определяется только магнитной проводимостью тех воздушных промежутков, по которым проходят магнитные линии поля рассеяния. Поэтому можно принять, что между током якоря I и потокосцеплением рассеяния, а следовательно, и наведенной им э.д.с. Е_σ существует пропорциональная зависимость:

, (4-2)

где Е_σ — э.д.с. рассеяния;

х_σ — индуктивное сопротивление рассеяния якоря, значение которого можно считать постоянным.