Магнитное поле синхронной машины при холостом ходе

При холостом ходе ток в обмотке якоря равен нулю. Поле в воздушном зазоре создается током возбуждения, протекающим в обмотке возбуждения, при этом при вращении ротора в обмотке якоря наводится ЭДС.

При конструировании синхронных генераторов стремятся получить ЭДС, максимально приближающуюся к синусоиде. Несинусоидальность кривой напряжения оценивается коэффициентом искажения синусоидальности, который определяется отношением в процентах корня квадратного из суммы квадратов амплитуд высших гармоник данной кривой к амплитуде ее основной гармонической:

где А, /4₃,А" — амплитуды 1-, 3- и п-й гармоник.

Коэффициент искажения для генераторов мощностью свыше 100 кВ-А должен быть не более 5%, а для генераторов от 1 до 100 кВ-А — не более 10%. Чтобы уменьшить несинусоидальность напряжения, необходимо максимально приблизить форму индукции поля возбуждения к синусоиде.

В явнополюсной машине поле возбуждения создается сосредоточенной катушечной обмоткой, и МДС F = lw_K (где I — ток в обмотке возбуждения, а «у — число витков обмотки возбуждения) может быть принята изменяющейся по прямоугольному закону (рис. 4.16).

Поле в воздушном зазоре определяется МДС обмотки и проводимостью зазора. В явнополюсных синхронных машинах зазор неравномерный. Зазор под краем полюса 5," ~ 1,68. Ширина полюсного наконечника Ь_р ~ (0,65^-0,75)т. При этих условиях в зазоре распределение поля приближается к синусоидальному и ЭДС становится близкой к синусоиде (см. рис. 4.16).

При наличии зубцов и пазов па статоре кривая индукции отклоняется от синусоиды. Однако в кривой ЭДС за счет.

Рис. 4.16. Поле явнополюсной синхронной машины при холостом ходе.

укорочения шага обмотки якоря, выбора определенного числа пазов на полюс и фазу q, соединением фаз обмотки в звезду или треугольник достигается уменьшение высших гармоник, и кривая ЭДС остается синусоидальной. Наличие высших гармоник в поле возбуждения вызывает добавочные магнитные потери.

Для характеристики поля при холостом ходе вводят коэффициент формы поля возбуждения kf и коэффициент потока возбуждения &ф.

Коэффициент формы поля возбуждения.

где B_6Url —амплитуда 1-й гармоники индукции в воздушном зазоре; 5§ — индукция в зазоре на оси полюса.

Если поле синусоидальное, kj = 1. Обычно коэффициент формы поля равен 1,05—1,2.

Коэффициент потока возбуждения.

где Ф/_т — полный поток возбуждения; Фу_1ш — поток возбуждения, найденный по 1-й гармонике индукции:

где а§ —расчетный коэффициент полюсного перекрытия:

здесь 5_ЙС|) — средняя индукция в воздушном зазоре (см. рис. 4.16):

Коэффициент формы ЭДС может быть определен через отношение индукций.

где В_5д1 — действующее значение магнитной индукции 1-й гармоники:

При синусоидальном поле коэффициент формы ЭДС к_в,

Л Л

в общем случае равный: k = —р—, будет k_B = —р «1,11.

2v2кф « 2v2.

Классическая теория синхронных машин оперирует с 1-й гармоникой МД С якоря и обмотки возбуждения. Приведенные выше расчеты позволяют выделить 1-ю гармонику поля возбуждения в явнополюсных машинах и по ней провести анализ процессов электромеханического преобразования энергии.

В неявнополюсных синхронных машинах воздушный зазор равномерный, синусоидальное распределение поля обмотки возбуждения достигается за счет распределения МДС.

Рис. 4.17. Поле неявнополюсной синхронной машины при холостом ходе.

Обмотки возбуждения в турбогенераторах расположены в пазах, и распределение МДС за счет наличия большого зубца приближается к трапецеидальному (рис. 4.17). Ступенчатую кри вую МДС можно разложить в гармонический ряд и определить значения 1-й, 3-й и других высших гармоник МДС F_m. Для амплитуды v-й гармоники:

где w = w_K — — число витков обмотки возбуждения на полюс; k_pv — коэффициент распределения v-й гармоники; q — число катушек; w_K — число витков в катушке.

При равномерном зазоре можно считать, что кривая индукции повторяет кривую МДС и.

В неявнополюсной машине без учета насыщения коэффициенты &_ф, kf, k_R зависят от отношения длины части окружности ротора, занятой обмоткой, к полюсному делению т:

где k_pf — коэффициент распределения для 1-й гармоники МДС:

где р =—относительная длина обмотанной части полю;

т са (см. рис. 4.17).

Насыщение зубцовой зоны и наличие зубцов на статоре приводят к увеличению амплитуд высших гармоник ноля в воздушном зазоре. Влияние насыщения и зубцов на поле машины, необходимое при проектировании, рассчитывается по поправочным коэффициентам, которые учитывают геометрию машины и степень насыщения 1111.

По магнитному потоку Ф/", в воздушном зазоре можно определить ЭДС обмотки статора:

В этой формуле нс учитываются высшие гармоники. Коэффициент k_B принимается с учетом насыщения и формы зазора.

При постоянной частоте вращения в функции тока возбуждения снимают характеристику холостого хода (рис. 4.18). При изменении тока возбуждения от нуля, ЭДС и поток сначала изменяются по линейному закону, а затем, при близких к номинальным значениям тока возбуждения и ЭДС, из-за насыщения магнитной цепи характеристика холостого хода отклоняется от линейного закона. При больших насыщениях характеристика холостого хода снова становится линейной (см. рис. 4.18).

По характеристике холостого хода можно определить коэффициент насыщения.

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Рис. 4.18. Характеристика холостого хода.

Отрезок Ьс определяет МДС, приходящуюся па «стальные» участки магнитной системы. Если машина ненасыщенная, то характеристика холостого хода линейная. Чтобы обеспечить лучшее использование материалов, при проектировании рабочая точка выбирается на колене XXX (точка с) на рис. 4.18.

Характеристики холостого хода стандартизированы.

В табл. 4.1 даны стандартные характеристики холос того хода для турбои гидрогенераторов в относительных единицах. Стандартизация характеристики холостого хода необходима для обеспечения успешного включения генераторов на параллельную работу.

Таблица 4.1

Примечание. Т — турбогенератор, Г — гидрогенератор.

При холостом ходе кроме потока в воздушном зазоре, который наводит ЭДС в обмотке якоря, в синхронной машине есть поток рассеяния обмотки возбуждения Ф₅/, сцепленный только с обмоткой возбуждения (рис. 4.19). Поток рассеяния обмотки возбуждения замыкается вокруг обмотки возбуждения в межполюсном пространстве и по торцам полюсов и не наводит ЭДС в обмотке яко- Рис. 4.19. К расчету магнитной р_Я. Поток рассеяния зависит цепи синхронной машины _от конструкции машины, насыщения и определяется коэффициентом рассеяния.

Поток рассеяния обмотки возбуждения различен для турбои гидрогенераторов. Для гидрогенераторов он больше и может достигать 30—40% рабочего потока. В турбогенераторах поток рассеяния существенно меньше и равен 4—8% рабочего потока.