Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

раторов и синхронных компенсаторов, в том числе и для установок

предельных мощностей.

Различают три основных типа вентильных систем возбуждения:

системы самовозбуждения, независимые системы возбуждения и

бесщеточные системы возбуждения.

В системе самовозбуждения (см. рис. 52.2, в) необходимая для

возбуждения синхронной машины энергия отбирается от обмотки

якоря, причем выпрямление переменного тока, получаемого от якоря,

осуществляется управляемыми полупроводниковыми выпрямителя-

ми (тиристорами). Отбор энергии осуществляется с помощью транс-

форматора 9, включенною параллельно с обмоткой якоря, и транс-

форматора 7, включенного последовательно с обмоткой якоря. Транс-

форматор 7 позволяет обеспечить форсирование возбуждения при

близких коротких замыканиях, когда напряжение на обмотке якоря

существенно снижается.

В независимой системе возбуждения (см. рис. 52.2, б) энергия, не-

обходимая для питания обмотки возбуждения, получается от возбу-

дителя переменного тока (трехфазного синхронного генератора) 3,

ротор которого укреплен на валу главного генератора. В схемах вы-

прямителей в этом случае используются полупроводниковые вентили

(кремниевые диоды или тиристоры), собранные по трехфазной мос-

товой схеме. При регулировании возбуждения генератора использу-

ются одновременно возможности управления выпрямителями и из-

менение напряжения возбудителя.

В бесщеточной системе возбуждения с установленными на валу

машины полупроводниковыми выпрямителями отсутствуют скользя-

щие контакты. Эта система отличается от системы, показанной

на рис. 52.2, б, тем, что обмотка переменного тока возбудителя 3 рас-

полагается на его роторе, а выпрямитель 5, получающий питание

от этой обмотки, укреплен на валу. Обмотка возбуждения возбудите-

ля, расположенная на его статоре, получает питание от подвозбудите-

ля 4 или регулятора возбуждения 6.

Глава пятьдесят третья

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИНХРОННОЙ

МАШИНЕ ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ

53.1. Форма напряжения и манитноо поля при холостом

ходе

При холостом ходе ток в обмотке якоря равен нулю. Обмотка воз-

буждения с током I

образует магнитное поле возбуждения. В обмот-

ке якоря индуктируется ЭДС E

. Этот режим может быть получен

в возбужденной машине двумя способами:

а) размыканием линейных выводов обмотки якоря (в цепь обмот-

ки вводится бесконечно большое сопротивление);

б) введением в цепь обмотки якоря ЭДС , уравновеши-

вающей ЭДС .

Первый способ более прост и почти всегда используется для снятия

характеристик при холостом ходе. При втором способе, описанном в

§ 58.2, требуется дополнительный источник переменного напряжения

. Кроме того, ток якоря обращается полностью в нуль только при

идеально синусоидальной форме ЭДС E

и напряжения U

При проведении опыта холостого хода по второму способу в об-

мотке якоря всегда остается небольшой ток, связанный с высшими

гармоническими ЭДС. Этот ток вызывает погрешности в измерениях,

которые не всегда легко оценить. В возбужденной машине при холо-

стом ходе имеются потери на трение вращающихся частей P

, маг-

нитные потери в магнитопроводе якоря P

и некоторые добавочные

электромагнитные потери P

д.х

. Двигатель, приводящий синхронную

машину во вращение, должен развивать мощность, равную сумме

этих потерь

+ P

д.х

и составляющую примерно 0,3—3 % полной мощности машины.

Искажение синусоидальности напряжения приводит к появлению

добавочных потерь от высших гармонических во всех элементах

электрической системы: потребителях и источниках мощности. По-

этому ЭДС синхронных генераторов должны быть как можно ближе

к синусоидальным.

–

–=

–

Несинусоидальность кривой напряжения (или тока) оценивается

коэффициентом искажения синусоидальности периодической кри-

вой (см. § 27.6). Коэффициент искажения синусоидальности кривой

линейного напряжения (при холостом ходе и номинальном напряже-

нии) в трехфазных генераторах переменного тока 50 Гц (в том числе

в синхронных) должен быть не более 5 % для генераторов мощно-

стью свыше 100 кВæА и не более 10 % для генераторов мощностью

от 1 до 100 кВæА*.

В § 27.6 показано, что даже при несинусоидальной форме индук-

ции поля возбуждения ЭДС, индуктированная в обмотке якоря, полу-

чается почти синусоидальной. Уменьшение содержания высших гар-

монических в кривой ЭДС достигается за счет укорочения шага об-

мотки якоря, размещения ее катушек в достаточно большом числе па-

зов, а также соединения фаз обмотки в звезду или треугольник. Как

видно, например, из рис. 27.10, магнитное поле возбуждения с коэф-

фициентом искажения синусоидальности 28 % индуктирует в обмот-

ке якоря (y

= 0,83τ, q = 2, соединение Y) линейную ЭДС с коэффици-

ентом искажения 0,7 %, что значительно меньше, чем регламентиру-

ется стандартами. Таким образом, исходя из требований, предъявляе-

мых к синусоидальности кривой линейного напряжения при холо-

стом ходе, можно было бы не стремиться к улучшению формы поля

возбуждения.

Меры по улучшению формы поля возбуждения принимаются глав-

ным образом для того, чтобы уменьшить содержание высших гармо-

нических в нем самом, поскольку высшие гармонические, не прини-

мая участия в процессе преобразования энергии, вызывают добавоч-

ные потери. При соединении обмотки якоря в звезду высшая гармо-

ническая поля возбуждения порядка ν перемагничивает магнитопро-

вод якоря с частотой 50ν, вызывая в нем добавочные магнитные поте-

ри. При соединении обмотки якоря в треугольник высшие гармониче-

ские поля порядка кратного трем создают в контуре треугольника

уравнительный ток с частотой 50ν, вызывая в нем электрические по-

тери. Ток третьей гармонической в контуре треугольника не должен

превышать при номинальной мощности 20 % номинального тока.

Кроме того, следует учитывать возможное влияние высших гармони-

ческих поля на насыщение отдельных участков магнитной цепи (по-

люсов, зубцов якоря).

В гл. 26 показано, что улучшение формы поля возбуждения дости-

гается в явнополюсных и неявнополюсных машинах различными

способами: в явнополюсных машинах выбором благоприятного соот-

ношения между максимальным δ

max

и минимальным δ

min

зазором под

* При нагрузке коэффициент искажения увеличивается.

полюсом (см. рис. 26.1)*, в неявнопо-

люсных — выбором благоприятной от-

носительной длины обмотанной части

полюсного деления ρ (см. рис. 26.4).

Форма поля возбуждения при холо-

стом ходе характеризуется системой ко-

эффициентов k

, k

, α

, k

, зависящих

от соотношения размеров в пределах

полюсного деления (см. рис. 53.2).

Коэффициент формы поля возбужде-

ния

= (53.1)

равен отношению амплитуды основной гармонической индукции

в зазоре B

δ1m

(рис. 53.1) к радиальной составляющей индукции на оси

полюса B

δ f

= B

(при синусоидальном поле k

= 1).

Коэффициент потока возбуждения

= (53.2)

равен отношению полного потока взаимной индукции

= τl

δср

= α

τl

к магнитному потоку, найденному по первой гармонической ин-

дукции,

(при синусоидальном поле k

= 1).

Расчетный коэффициент полюсного перекрытия

= (53.3)

равен отношению (53.2) средней индукции в зазоре B

δср

к индукции

на оси полюса B

Поскольку

δср

= ;B

= ,

* В дальнейшем δ

max

обозначается δ

; δ

min

обозначается δ.

1mδ

-------------

-----------

---

τl

1mδ

τl

--------------

срδ

-----------

τl

--------

1mδ

-------------

πФ

2τl

------------------------

max

F1m

Рис. 53.1. К определению ко-

эффициентов поля возбуж-

дения

коэффициент α

выражается через коэффициенты k

и k

= (53.4)

(при синусоидальном поле α

= 2/π).

Коэффициент формы ЭДС*

= (53.5)

равен отношению действующего значения основной гармонической

индукции B

δд1

к средней индукции в зазоре B

δср

. Поскольку

δд1

= ,

коэффициент k

выражается через коэффициент k

= (53.6)

(при синусоидальном поле k

= ).

В неявнополюсной машине коэффициенты k

, k

, α

без учета

насыщения зависят только от относительной длины обмоточной час-

ти полюсного деления ротора ρ. Имея в виду, что длина зазора δ в не-

явнополюсной машине всюду одинакова, и считая индукции пропор-

циональными МДС (В ~ F, см. § 26.2), можно выразить коэффициен-

ты возбуждения аналитически.

Коэффициент формы поля возбуждения (для неявнополюсной ма-

шины без учета насыщения)

= ,(53.7)

где F

= I

— МДС обмотки возбуждения (на оси полюса); F

f 1m

= — амплитуда основной гармонической МДС возбужде-

срδ

-----------

---

* Название коэффициента связано с тем, что с его помощью [см. (53.11)] удается выра-

зить ЭДС взаимной индукции E

через полный поток взаимной индукции Φ

д1δ

срδ

-----------

1mδ

-------------

πФ

22k

τl

-------------------------

д1δ

срδ

-----------

22k

-----------------

----------

1,11=

1mδ

-------------

f1m

------------

---

ρπ

-------sin

-------------------

===

---

ния; k

≈ — коэффициент

распределения для основной гармониче-

ской МДС.

Расчетный коэффициент полюсного пе-

рекрытия (для неявнополюсной машины

без учета насыщения)

= ,(53.8)

где F

fср

= (1 – 0,5ρ)F

— средняя МДС на

полюсе, найденная после замены кривой

МДС ступенчатой формы кривой МДС тра-

пецеидальной формы (по рис. 26.2).

Зависимости k

, α

= f (ρ), а также k

, k

= f (ρ), рассчитанные

по (53.4) и (53.6), представлены графически на рис. 53.2. На рисунке

видно, что поле получается близким к синусоидальному (k

, k

мало

отличаются от единицы) при ρ ≈ 0,65—0,75, когда обмотка неявнопо-

люсного ротора занимает примерно 2/3 полюсного деления.

Влияние насыщения зубцового слоя на форму поля возбуждения и

на расчетные коэффициенты k

и α

проявляется в неявнополюсной

машине так же, как в асинхронной машине (§ 39.2). Для учета этого

влияния можно воспользоваться кривыми для поправочных коэффи-

циентов ξ

и ξ

= f (kZ) на рис. 39.2.

Расчетные коэффициенты с учетом насыщения определяются

(53.9)

где k

, α

δ0

= f (ρ) — значения коэффициентов без учета насыщения

= 1 по рис. 53.2); ξ

, ξ

= f (k

) — поправочные коэффициенты по

рис. 40.2 при подобранном коэффициенте k

= (F

+ F

)/F

Коэффициент k

подбирается в процессе расчета магнитной цепи

(см. ниже) для каждого заданного потока Φ

, причем учитываются

только магнитное напряжение зазора F

и магнитное напряжение зуб-

цов статора F

. В первом приближении k

= 1. После определения k

ρπ

-------

ρπ

------

⎝⎠

⎛⎞

sin

срδ

-----------

fср

----------

1 0,5ρ–==

0δ

⎭

⎬

⎫

Рис. 53.2. Зависимости α

, k

= f (ρ) для не-

явнополюсной синхронной машины

f

,k

B

1,15

1,10

1,05

1,00

0,95

0,5 0,6 0,7

0,75

0,70

0,65

0,60

f

и α

рассчитываются по (53.6) и (53.4) коэф-

фициенты k

и k

. Они также оказываются за-

висящими от насыщения магнитной цепи (ко-

эффициента k

В явнополюсной машине коэффициенты

поля возбуждения k

, k

, α

зависят глав-

ным образом от отношения максимального

зазора δ

к зазору на оси полюса δ

min

= δ

(см. рис. 53.1). Зависимости k

, k

, α

= f ( ), найденные по картинам магнит-

ных полей при гладкой поверхности магнито-

провода якоря и характерных для явнополюс-

ных машин соотношениях размеров (δ′/τ=

= 0,03—0,05; α=b

/τ = 0,69—0,72), приведены на рис. 53.3. При

гладкой поверхности якоря зазор δ′ = δ, δ′

= δ

Эту же систему коэффициентов (k

, k

, α

, k

) можно использо-

вать для расчета магнитных напряжений с учетом насыщения при ре-

альной конструкции магнитопровода с зубцами и пазами на статоре и

в полюсном наконечнике. Анализ поля в реальной конструкции пока-

зывает, что влияние насыщения и зубчатости магнитопровода статора

и полюсов ротора проявляется в уменьшении усредненной индукции

в зазоре. Эта индукция уменьшается наиболее заметно на оси полюса

в области минимального зазора δ. В области края полюсного наконеч-

ника, где зазор увеличен в k

раз и равен δ

= k

δ, а также в межпо-

люсном пространстве это уменьшение менее существенно (рис. 53.4).

Усредненная индукция и коэффициенты k

, k

, α

, k

при насы-

щенных зубчатых магнитопроводах статора и ротора, контуры кото-

рых показаны на рис. 53.4 cплошной линией, могут быть определены

для эквивалентных гладких ненасыщенных магнитопроводов, конту-

ры которых показаны штриховой линией. Наилучшее приближение

для усредненной индукции и коэффициентов k

, k

и других получит-

ся, если принять эквивалентные минимальный δ′ и максимальный δ′

зазоры равными:

δ′ = δ k

; δ′

= δ

δm

Zam

. (53.10)

δ′

/ δ′

F'

f

,k

B

f

1,3

1,2

1,1

1,0

0,9

0,6 1,0 1,4 1,8

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

F'

Рис. 53.3. Зависимость α

, k

= (δ′

/δ′) для яв-

нополюсной синхронной машины

B этих формулах k

= k

δ1

δ2

и k

δm

= k

δ1m

δ2m

— коэффициенты зазо-

ра соответственно для зазоров δ и δ

. Коэффициент k

рассчитывают

по (53.14), (24.10); коэффициент k

δm

— по тем же формулам, но при

введении в них δ

вместо δ.

Коэффициенты k

и k

Zam

позволяют учесть влияние насыщения

соответственно для зазоров δ и δ

= F

= 1—1,4,

где

= F

+ F

(см. § 53.2);

Zam

= ; = k

δm

/ k

; k

= δ

/ δ.

Первоначально k

назначается произвольно, затем уточняется

итерационным путем в процессе расчета магнитной цепи (см. § 53.2).

Коэффициенты поля возбуждения с учетом насыщения и зубчато-

сти определяются по кривым рис. 53.3 в функции отношения .

53.2. Расчет манитной цепи явнополюсной машины

при холостом ходе

Расчет магнитной цепи выполняется в режиме холостого хода для

определения тока возбуждения I

или МДС возбуждения F

, кото-

рые образуют магнитное поле взаимной индукции с потоком Φ

, ин-

дуцирующим в обмотке статора заданную ЭДС E

. Имея в виду, что

магнитное поле распределено в зазоре несинусоидально (см. выше),

Рис. 53.4. Эквивалентирование зуб-

чатого насыщенного магнитопрово-

да с зазорами δ, δ

гладким ненасы-

щенным магнитопроводом с зазора-

ми δ′, δ′

— поверхность магнитопро-

вода; — поверхность экви-

валентного магнитопровода; 1 —

индукция с учетом зубчатости и на-

сыщения; 2 — усредненная индукция

в зазоре, совпадающая с индукцией в

зазоре при эквивалентном магнито-

проводе

1 k

1–()/ k′

+ k′

δ′

/ δ′

магнитный поток рассчитывают так же, как для асинхронных машин

(39.1):

= k

= . (53.11)

В этой формуле с помощью коэффициента k

учитывается разли-

чие между потоком взаимной индукции Φ

и потоком

определенным по первой гармонической индукции. При этом счита-

ется, что действующее значение ЭДС

в силу малости квадратов высших гармонических ЭДС ( , ) по

сравнению с квадратом первой гармонической ЭДС не отличает-

ся от действующего значения первой гармонической ЭДС E

= E

f 1

Коэффициент k

в (53.11) может быть выражен через коэффициент k

и определен по рис. 53.3 в функции отношения , для нахожде-

ния которого по (53.10) нужно знать k

. Начиная расчет магнитной

цепи при данной E

, следует задаться произвольным значением k

в пределах 1—1,4. Уточнение k

, k

производят итерационно путем

повторения расчета при k

= F

, найденном по (53.14) и (53.15)

на предыдущей итерации. Для этого требуется не более двух-трех

итераций. Наиболее важно произвести расчет магнитной цепи при

двух характерных потоках:

1) потоке

, (53.12)

соответствующем номинальному напряжению при холостом ходе

= U

ном

;

-------------------------------

2πf

---------------------------

…+++

f 5

f 7

f 1

π /2 2k

()=

δ′

δ′⁄

ном

--------------------------------

2) потоке Φ

mном

, соответствующем ЭДС взаимной индукции при

номинальной нагрузке E

= k

ном

, где k

= E

rном

ном

— коэффици-

ент увеличения ЭДС взаимной индукции при переходе от холостого

хода к номинальной нагрузке (в генераторах и двигателях обычного

исполнения k

≈ 1,08).

Для определения полной характеристики намагничивания маши-

ны Φ

= f (F

) достаточно произвести расчет при ЭДС E

= 0,5U

ном

;

ном

; k

ном

; 1,2U

ном

и 1,3U

ном

, определяя поток Φ

по (53.11).

Магнитная цепь явнополюсной синхронной машины представле-

на на рис. 53.5; картина магнитного поля при холостом ходе —

на рис. 53.6.

Определение МДС возбуждения F

, образующей поток Φ

, про-

изводится на основе закона полного тока для средней магнитной

lv

ш2

Рис. 53.5. Размеры активных частей явнополюсной синхронной машины:

1 — станина (корпус статора); 2 — пакет магнитопровода статора; 3 — пальцы на-

жимной гребенки; 4 — нажимные плиты; 5 — брусок с хвостом для насадки сег-

ментов магнитопровода; 6 — обмотка статора; 7 — полюс; 8 — нажимная щека

полюса; 9 — встречные клинья; 10 — хвост полюса (Т-образный); 11 — катушка

обмотки возбуждения; 12 — стержень демпферной (пусковой) обмотки; 13 — ко-

роткозамыкающий сегмент (или кольцо) демпферной обмотки; 14—16 — шпильки,

стягивающие магнитопровод статора, ярмо ротора и полюса; 17 — остов ротора;

18 — выводы обмотки возбуждения к контактным кольцам