Тема 3.2. Классификация синхронных генераторов.

Н

Рис.3

а рисунке 3.3 представлены электрические схемы трех видов судовых синхронных генераторов СГ: с возбудителем постоянного тока, самовозбуждением и возбудителем переменного тока. Основное отличие генераторов заключается в том, какие средства используются для питания их обмотки ротора.

В первом случае (рис.3.3 а) обмотка ротора генератора через контактные кольца К и щетки подключена на напряжение обмотки якоря генератора постоянного тока параллельного возбуждения.

Поскольку основной задачей такого генератора является питание обмотки возбуждения (ротора) синхронного генератора, его называют возбудителем В синхронного генератора. Якорь возбудителя и ротор синхронного генератора связаны механическим валом с приводным двигателем ПД. После запуска приводного двигателя происходит процесс самовозбуждения возбудителя постоянного тока и образование магнитного потока ротора (возбуждение) синхронного генератора. Магнитный поток ротора, пересекая обмотку статора, индуцирует в ней трехфазную ЭДС. Недостатком такой системы возбуждения синхронного генератора является наличие коллектора и щеток у возбудителя, а также контактных колец и щеток на валу ротора генератора. Эти контактные элементы требуют при эксплуатации значительного внимания и не гарантируют высокой надежности в работе генератора.

Рис.3.3. Электрические схемы СГ

Система самовозбуждения (рис. 3.3б) дает возможность избавиться от применения возбудителя постоянного тока. При этом синхронный генератор снабжается специальным блоком самовозбуждения БСВ, с помощью которого часть мощности обмотки статора подается на блок выпрямления БВ, а затем в обмотку ротора генератора.

Применение машины переменного тока (рис. 3.3в) в качестве возбудителя дает возможность избавиться также от контактных колец и щеток ротора. При этом ЭДС, индуцированная в обмотке ротора возбудителя В, выпрямляется блоком БВ, укрепленным на валу ротора, и затем подается на обмотку ротора генератора. Обмотка статора возбудителя подключается на выпрямленное напряжение обмотки статора синхронного генератора. Наличие электромагнитной связи между статором и ротором возбудителя исключает необходимость применения щеток и контактных колец на роторе генератора. В связи с этим данные генераторы принято называть бесщеточными.

Тема 3.3. Реакция якоря синхронного генератора

Магнитное поле и векторные диаграммы синхронных машин

Синхронная машина имеет обмотку возбуждения, расположенную на роторе, и обмотку статора (якоря), расположенную на статоре. Обмотка возбуждения предназначена для создания основного магнитного поля Ф₀ в воздушном зазоре машины. При вращении ротора это поле пересекает обмотку статора и индуцирует в ней ЭДС Е₀. После подключения обмотки статора к потребителям электрической энергии под действием ЭДС Е₀ и напряжения U в обмотке возникает ток I, который называют током нагрузки машины. При протекании тока нагрузки данная обмотка создает собственное магнитное поле, которое принято называть полем реакции статора (якоря), так же как и в машинах постоянного тока. Поле реакции статора вращается с частотой, которая равна частоте вращения ротора. Поэтому магнитный поток в воздушном зазоре машины при нагрузке создается совместным действием МДС (потока) основного поля и МДС (потока) поля реакции статора. Если в машинах постоянного тока взаимное расположение этих МДС (потоков) определяется положением щеток относительно геометрической нейтрали, то в синхронных машинах это зависит от положения ротора относительно вектора МДС реакции статора и характеризуется углом ψ между поперечной осью ротора и вектором МДС вращающегося поля обмотки статора.

Рис.3.4. Магнитные поля и векторные диаграммы потоков и МДС поперечной и продольной реакций статора явнополюсного синхронного генератора

На векторной диаграмме синхронной машины угол ψ является углом между вектором ЭДС холостого хода Е₀ и векторами тока нагрузки I, а также МДС Fа (рис.3.4). В зависимости от характера тока нагрузки угол ψ может принимать любые значения в пределах от нуля до ±90° (в дальнейшем будет показано, что характер нагрузки синхронной машины связывается также с углами Q и φ, сумма которых равна углу ψ).

В

Рис.4

явнополюсных машинах каждому значению угла ψ соответствует свое значение магнитной проводимости. По этой причине исследование в общем виде реакции статора явнополюсных синхронных машин представляет собой трудную задачу. С достаточной точностью такое исследование выполняется с использованием так называемой теории двух реакций, согласно которой реакция статора, соответствующая любому значению угла ψ, раскладывается на две составляющие, одна из которых связана с продольной осью ротора dd, другая — с поперечной qq. В таком случае вместо бесконечного ряда значений магнитной проводимости достаточно знать только два их значения (по продольной и поперечной осям), которые просто определяются как расчетным, так и опытным путем.

На рис. 3.4 представлены магнитные поля и векторные диаграммы потоков и МДС поперечной и продольной реакций статора явнополюсного синхронного генератора. При этом обмотка статора условно изображена в виде одного витка АХ, ротор — с двумя полюсами без обмотки возбуждения. При вращении ротора в направлении по часовой стрелке в проводнике А будет индуцироваться ЭДС и ток, направленные «от нас», а в проводнике X — «к нам».

Поперечная реакция статора (рис. 3.4а) соответствует углу ψ = 0, когда поперечная ось ротора совпадает с осью витка АХ, а направление вектора F₀ совпадает с вектором Iq — тока нагрузки. При этом линии магнитной индукции поля обмотки статора, замыкаясь по железу полюсных наконечников ротора, искажают магнитное поле в воздушном зазоре машины, так как снизу от провода А линии магнитных индукций складываются, а сверху — вычитаются; сверху от провода X — складываются, снизу — вычитаются.

Построение векторной диаграммы производится в следующем порядке: влево от начала диаграммы вдоль продольной оси ротора dd откладывается вектор потока ротора Ф₀; вверх от начала диаграммы вдоль поперечной оси ротора qq откладывается вектор ЭДС Е₀ (которая наводится потоком Ф₀ и отстает от него на 90°); затем откладывается вектор тока нагрузки Iq, направление которого совпадает с вектором E₀ (по условию расположения ротора и витка); откладываются векторы МДС Faq и потока Фaq реакции статора, направление которых всегда совпадает с направлением вектора тока. Из построенной диаграммы видно, что вектор реакции статора Фaq направлен перпендикулярно (поперечно) вектору потока Ф₀ основного поля генератора.

Продольная реакция статора соответствует углу ψ = +90° и углу ψ = –90°. В первом случае (рис.3.4б) линии магнитной индукции поля реакции статора замыкаются параллельно линиям индукции основного магнитного поля, но с противоположным направлением, в результате чего происходит равномерное ослабление основного поля ротора генератора. Такую реакцию статора называют продольно-размагничивающей. При этом векторы тока Id, МДС Fad и потока Фаd отстают от вектора ЭДС Е₀ на угол ψ = +90°, а векторы Ф₀ и Фad направлены навстречу друг другу.

Во втором случае (рис. 3.4в) линии магнитной индукции поля реакции статора замыкаются по железу ротора параллельно линиям основного поля при совпадении их направлений, в результате чего происходит равномерное усиление основного поля ротора генератора. Такую реакцию статора называют продольно-намагничивающей. Векторы Iad, Fad, Фad, Ф₀ направлены в одну сторону и опережают вектор ЭДС Е₀ на угол ψ = –90°.

Рис.3.5. Магнитные поля и векторные диаграммы потоков и МДС в общем случае

В

Рис.5

общем случае, когда нагрузка генератора характеризуется углом +90° > ψ > 0, вектор МДС Fa реакции статора (рис. 3.5а) имеет поперечную Фaq и продольно-размагничивающую Fad составляющие. Когда нагрузка генератора характеризуется углом —90° > ψ< 0, вектор МДС Fа реакции статора (рис. 3.5б) имеет поперечную Faq и продольно-намагничивающую Fad составляющие.