Чем определяется форма графика эдс синхронного генератора

Чем определяется форма графика эдс синхронного генератора

При вращении ротора синхронного генератора первичным двигателем (гидротурбиной, паровой турбиной и т. д.) в каждой фазе его рабочей обмотки наводится ЭДС:

Полагая, что магнитный поток изменяется синусоидально (косинусоидально) с частотой зависящей от скорости вращения ротора при определенном числе пар полюсов р, и учитывая, что и переходя к действующему значению ЭДС, можно получить:

где с — постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности данной машины.

Таким образом, ЭДС генератора пропорциональна основному магнитному потоку машины, при этом напряжение на зажимах генератора меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения

где — ток в обмотке статора (ток нагрузки); — полное сопротивление обмотки (одной фазы).

Для точной подгонки амплитуды ЭДС значение магнитного потока регулируют изменением тока в цепи возбуждения. Синусоидальная форма ЭДС зависит прежде всего от распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, поэтому полюсным наконечникам ротора придают определенную форму (делают скосы по краям). При этом воздушный зазор увеличивается от середины полюса к его краям, а магнитная кция распределяется косинусоидально. Однако на практике ее не доводят до косинусоидальной, так как при таком распределении вместе с ЭДС основной частоты появляются гармонические составляющие, сильно искажающие форму результирующей ЭДС.

В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной индукции добиваются особым размещением обмотки возбуждения по поверхности ротора. Эти и другие меры обеспечивают практически синусоидальную форму ЭДС.

Источник

Чем определяется форма графика эдс синхронного генератора

Воропаев Е.Г.
Электротехника

6.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки.
Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит.
Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.
На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц.
Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.
В качестве примера приведем параметры синхронного генератора, работающего на Днепровской ГЭС.
Водяной поток вращает ротор генератора с частотой n = 33,3 об / мин. Задавшись частотой f = 50 Гц, определим число пар полюсов на роторе:

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, кото-рое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

6.2. ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:

6.3. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

6.3.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора.
При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой:

6.3.2. СИСТЕМА ПУСКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается «магнитным сцеплением» полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора.
В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо «разогнать» до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.
Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным.
Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм.
Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.
Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой.
В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис. 6.3.2.1).

6.4. РЕАКТИВНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели.
От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему.
Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше. Здесь работа двигателя основана, на свободной ориентации ротора таким образом, чтобы обеспечить магнитному потоку статора лучшую магнитную проводимость (рис. 6.4.1).

6.5. ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель.
Как видно из рис. 6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

6.6. КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Коллекторные двигатели могут работать как от сети переменного тока, так и от сети постоянного тока. Это обстоятельство послужило для присвоения им наименования универсальных коллекторных двигателей. Коллекторные двигатели широко при-меняются для привода швейных машин, пылесоса и т.д.

Источник

Общие вопросы теории бесколлекторных машин (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН

Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока

Принцип выполнения обмоток статора

Основные типы обмоток статора

Магнитодвижущая сила обмоток статора

Электрические машины пере­менного тока составляют ос­нову современной электроэнергетики, как в сфере производства, так и в сфере потребления электрической энергии. За небольшим ис­ключением все эти машины являются бесколлекторными. Существует два вида бесколлекторных машин переменно­го тока: асинхронные и син­хронные машины. Отличаясь рабочими свойствами, эти машины имеют конструктив­ное сходство, и в основе их теории лежат некоторые об­щие вопросы, касающиеся процессов и явлений, связан­ных с рабочей обмоткой — обмоткой статора. Поэтому, прежде чем перейти к под­робному изучению асинхрон­ных и синхронных машин, це­лесообразно рассмотреть общие вопросы теории этих машин. Как асинхронные, так и синхронные машины обла­дают свойством обратимости (см. § В.2), т. е. каждая из них может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Однако первона­чальное знакомство с этими машинами полезно начать с рассмотрения принципа дей­ствия синхронного генератора и принципа действия асин­хронного двигателя. Это даст возможность получить необ­ходимое на данном этапе изучения представление об устройстве этих машин и про­исходящих в них электромаг­нитных процессах. Данный раздел посвящен изучению принципа действия бескол­лекторных машин переменно­го тока в основных их режи­мах, устройства обмоток статоров этих машин и про­цесса наведения ЭДС и МДС в них.

• Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока

§ 6.1. Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис. 6.1). Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр 1 (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверх­ности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внутренней полости сердечника статора расположена вращаю­щаяся часть машины — ротор, представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, за­крепленный на валу 3. Вал ротора посредством ре­менной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного дви­гателя может быть использован двигатель внутрен­него сгорания либо турбина. Под действием вра­щающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой n1 против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на на­грузку Z, то в цепи этой обмотки появится ток i.

В процессе вращения ротора магнитное поле по­стоянного магнита также вращается с частотой n1, а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитно­го полюса. При этом каждая смена полюсов сопро­вождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхрон­ного генератора наводится переменная ЭДС, а по­этому ток i в этой обмотке и в нагрузке Z также пе­ременный.

Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе (В)

е = B 2 l = B 2 l π D1 n1 / 60 (6.1)

где B — магнитная индукция в воздушном зазоре между сердеч­ником статора и полюсами ротора, Тл; l — активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; = π D1 n1 /60 — скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D1 — внут­ренний диаметр сердечника статора, м.

Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой

Рис. 6.1. Упрощенная модель синхронного генератора

переменной ЭДС обмотки якоря опреде­ляется исключительно законом распределения магнитной индукции B, в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазора представлял собой синусоиду (B = Вmax sin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор постоянен (рис. 6.2), то магнитная индукция B, в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (кривая 7), а, следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосим так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен max (как это показано на рис. 6.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС, наведенной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.

Частота ЭДС синхронного генератора f1 (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора n1 (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

Здесь р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р = 1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор та­кого генератора необходимо вращать с частотой n1 = 3000 об/мин, тогда f1 = 13000/60 = 50 Гц.

Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности (см. § 23.1), в боль­шинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и

Рис. 6.2. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора

изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис. 6.3).

генератора с синхронной частотой n1 при этом магнитное поле ротора также вращается с частотой n1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми фазе друг относительно друг друга на периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи IА, IB, IC. При этом

трехфазная обмотка ста­тора создает вращаю­щееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вра­щения ротора генерато­ра (об/мин):

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины.

Рис. 6.3. Электромагнитная схема син­хронного генератора

§ 6.2. Принцип действия асинхронного двигателя

Неподвижная часть асинхронного двигателя — статор — имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора (рис. 6.3). В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (рис. 6.4). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию (см. § 10.2), состоящую из восьми

алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых

с двух сторон по торцам ротори алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны). Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого n1 определяется выражением (6.3).

Вращающееся поле статора (полюсы N1 и S1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с

Рис. 6.4. К принципу действия асинхронного двигателя

обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы Fэм, направление которых определяется по правилу «левой руки». Из рис. 6.4 видно, что силы Fэм стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил Fэм создает на роторе электромагнита момент М, приводящий его во вращение с частотой n2. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора, вращения ротора n2, называемая асинхронной, всегда меныше частоты вращения поля n1, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного

Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вра­щающееся магнитное поле и в этой обмотке наводится ЭДС. Именно по этой причине изучение принципа выполнения и конст­рукции обмоток статора, а также изучение электромагнитных про­цессов, связанных с наведением в обмотке статора ЭДС и возник­новением вращающегося магнитного поля, должно предшествовать изучению специфических вопросов теории асинхронных и синхронных машин.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия генератора переменного тока.

2. Чем определяется форма графика ЭДС синхронного генератора?

3. Каково назначение контактных колец и щеток в синхронном генераторе?

4. Объясните принцип действия асинхронного двигателя.

5. Может ли ротор асинхронного двигателя вращаться синхронно с вращаю­щимся полем?

6. Какие функции выполняет обмотка статора в синхронном генераторе и в асинхронном двигателе?

ГЛАВА 7

• Принцип выполнения обмоток статора

§ 7.1. Устройство статора бесколлекторной машины и основные понятия об обмотках статора

Статор бесколлекторной машины переменного тока (рис. 7.1) состоит из корпуса 1, сердеч-ника 2 и обмотки 3. Сердечник статора имеет шихтованную конструкцию, т. е. представляет собой пакет пла­стин, полученных методом штамповки из листовой электротехнической стали. Пластины предваритель­но покрывают с двух сторон тонкой изоляционной пленкой, например слоем лака. На внутренней по­верхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых располагаются проводники обмотки статора. Обмотка статора выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения.

Требования к обмотке статора в основном сво­дятся к следующему: а) наименьший расход обмо­точной меди; б) удобство и минимальные затраты н изготовлении — технологичность; в) форма кривой ЭДС, наводимой в обмотке статора, должна был. практически синусоидальной.

Применительно к генераторам переменного тока это требование обусловлено тем, что при несинусоидальной ЭДС генератора в электрической цепи появляются высшие гармоники тока, оказывающие вредное влияние на работу всей энергосистемы: возрастают потери, возникают опасные перенапряжения, усиливается вредное влияние линий электропередачи на цепи связи. Применительно к двигателям переменного тока требование к синусоидальности ЭДС обмотки статора также весьма актуально, так как несинусоидальность ЭДС ведет к росту потерь и уменьшению полезной мощности двигателя.

или нескольких витков. Элементы катушки, располагаемые в па­зах, называют пазовыми сторонами 1, а элементы, расположенные вне пазов и служащие для соединения пазовых сторон, называют лобовыми частями 2 (рис. 7.2). Часть дуги внутренней расточки статора, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением (м):

Рис. 7.1. Статор бесколлектор­ной машины переменного тока

где D1 — внутренний диаметр статора, м; 2р — число полюсов.

Расстояние между пазовыми сторонами катушки, измеренное но внутренней поверхности стато­ра, называется шагом обмотки по пазам у1. Шаг обмотки выражают в пазах. Шаг обмотки называется полным или диаметральным, если он равен полюсному делению:

В этом случае ЭДС витка определяется арифметической суммой ЭДС, наведенных в сторонах этого витка (рис. 7.3):

Если же шаг обмотки меньше полюсного деления (у1 1. В распреде­ленной двухслойной обмотке статора число катушечных групп в каждой фазе равно числу полюсов 2р, а общее число катушечных групп трехфазной обмотки А = 2pml. При этом число катушек в катушечной группе равно q1. Однако сосредоточенные и распре­деленные обмотки различаются не только конструкцией. Имеется также разница и в величине и форме графиков ЭДС, наведенных в сосредоточенной и распределенной обмотках. Для разъяснения обратимся к рис. 7.7, где показаны две одновитковые катушки фазной обмотки, сосредоточенные в двух пазах (а), и такие же две катушки, образующие катушечную группу и сосредоточенные в четырех пазах (б).

В случае сосредоточенной обмотки (рис. 7.7, а) ЭДС, наведенные в двух катушках, совпадают по фазе; в этом случае ЭДС катушечной группы £r. с равна арифметической сумме ЭДС катушек:

В случае распределенной обмотки обе катушки сдвину­ты в пространстве относительно друг друга на пазовый угол γ. По­этому ЭДС, наводимые в катушках катушечной группы, оказались сдвинутыми по фазе относительно друг друга на угол γ (рис. 7.7, б). Исходя из этого ЭДС катушечной группы распределенной обмот­ки Ег. р равна геометрической сумме ЭДС катушек, число которых равно q1 :

г. р =

Как видно из приведенных на рис. 7.7 векторных диаграмм, ЭДС катушечной группы сосредоточенной обмотки Еrс больше, чем ЭДС при распределенной обмотке Егр. Уменьшение

Рис. 7.7. К понятию о коэффициенте распределения

ЭДС катушечной группы при переходе от сосредоточенной обмотки к распределенной

распространяется на ЭДС не только первой, но и высших гармоник. Для количественной оценки этого уменьшения ЭДC пользуются коэффициентом распределения обмотки, представляющим собой отношение ЭДС:

Источник