Возбуждение синхронной машины и её магнитные поля. Возбуждение синхронного генератора.

Обмотка возбуждения синхронного генератора (С.Г.) располагается на роторе и получает питание постоянным током от постороннего источника. Она создает основное магнитное поле машины, которое вращается вместе с ротором и замыкается по всему магнитопроводу. В процессе вращения это поле пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в них ЭДС Е10.
Для питания обмотки возбуждения мощных С.Г. используются специальные генераторы — возбудители. Если они установлены отдельно, то питание в обмотку возбуждения подается через контактные кольца и щеточный аппарат. Для мощных турбогенераторов возбудители (синхронные генераторы «обращенного типа») навешивают на вал генератора и тогда обмотка возбуждения, получает питание через полупроводниковые выпрями-тели, установленные на валу.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет примерно 0,2 - 5% от номинальной мощности С.Г., причем меньшая величина — для крупных С.Г.
В генераторах средней мощности часто используют систему самовозбуждения — от сети обмотки статора через трансформаторы, полупроводниковые выпрямители и кольца. В очень малых С.Г. иногда используют постоянные магниты, но это не позволяет регулировать величину магнитного потока.

Обмотка возбуждения может быть сосредоточенной (у явнопо-люсных синхронных генераторов) или распределенной (у неявнополюсных С.Г.).

 Магнитная цепь С.Г.

Магнитная система С.Г. — это разветвленная магнитная цепь, имеющая 2р параллельных ветвей. При этом магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается по таким участкам магнитной цепи: воздушный зазор «?» — два раза; зубцовая зона статора hZ1 — два раза; спинка статора L1; зубцовый слой ротора «hZ2» — два раза; спинка ротора — «LОБ». В явнополюсных генераторах на роторе есть полюса ротора «hm» — два раза (вместо зубцового слоя) и крестовина LОБ (вместо спинки ротора).  


На рисунке 1 видно, что параллельные ветви магнитной цепи симметричны. Видно также, что основная часть магнитного потока Ф замыкается по всему магнитопроводу и сцеплена как с обмоткой ротора, так и с обмоткой статора. Меньшая часть магнитного потока Фсигма(извените нету символа)  замыкается только вокруг обмотки возбуждения, а затем по воздушному зазору не сцепляясь с обмоткой статора. Это магнитный поток рассеяния ротора.  

Рисунок 1. Магнитные цепи С.Г.
явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) типа.

В этом случае полный магнитный поток Фm равен:

где СИГМАm — коэффициент рассеяния магнитного потока.
МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме холостого хода можно определить как сумму составляющих МДС, необходимых на преодоление магнитных сопротивлений в соответствующих участках цепи.

Наибольшим магнитным сопротивлением обладает участок воз-душного зазора, у которого магнитная проницательность µ0 = const постоянна. В представленной формуле wВ — это число последовательно соединенных витков обмотки возбуждения на пару полюсов, а IВО — ток возбуждения в режиме холостого хода.

Сталь магнитопровода с увеличением магнитного потока имеет свойство насыщения, поэтому магнитная характеристика синхронного генератора нелинейна. Эту характеристику как зависимость магнитного потока от тока возбуждения Ф = f(IВ) или Ф = f(FВ) можно построить путем расчета или снять опытным путем. Она имеет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2. Магнитная характеристика С.Г.

Обычно С.Г. проектируют так, чтобы при номинальном значении магнитного потока Ф магнитная цепь была насыщена. При этом участок «ав» магнитной характеристики соответствует МДС на преодолении воздушного зазора 2Fсигма, а участок «вс» — на преодоление магнитного сопротивления стали магнитопровода. Тогда отношение можно назвать коэффициентом насыщения магнитопровода в целом.

Холостой ход синхронного генератора

Если цепь обмотки статора разомкнута, то в С.Г. существует только одно магнитное поле - созданное МДС обмотки возбуждения.
Синусоидальное распределение индукции магнитного поля, необходимое для получения синусоидальной ЭДС обмотки статора, обеспечивается:
— в явнополюсных С.Г. формой полюсных наконечников ротора (под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями)и скосом пазов статора.
— в неявнополюсных С.Г. — распределением обмотки возбужде-ния по пазам ротора под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями и скосом пазов статора.
В многополюсных машинах применяют обмотки статора с дроб-ным числом пазов на полюс и фазу.

Рисунок 3. Обеспечение синусоидальности магнитного 
поля возбуждения

Поскольку ЭДС обмотки статора Е10 пропорциональна магнитному потоку Фо, а ток в обмотки возбуждения IВО пропорционален МДС обмотки возбуждения FВО, нетрудно построить зависимость: Е0 = f(IВО) идентичную магнитной характеристике: Ф = f(FВО). Эту зависимость называют характеристикой холостого хода (Х.Х.Х.) С.Г. Она позволяет определять параметры С.Г., строить его векторные диаграммы.
Обычно Х.Х.Х. строят в относительных единицах е0 и iВО, т.е. те-кущее значение величин относят к их номинальным значениям  

В этом случае Х.Х.Х. называют нормальной характеристикой. Интересно то, что нормальные Х.Х.Х. практически для всех С.Г. одинаковы. В реальных условиях Х.Х.Х. начинается не из начала координат, а из некоторой точки на оси ординат, которая соответствует остаточной ЭДС е ОСТ., обусловленной остаточным магнитным потоком стали магнитопровода. 

Рисунок 4. Характеристика холостого хода в относительных единицах

Принципиальные схемы возбуждения С.Г. с возбуждением а) и с самовозбуждением б) показаны на рисунке 4.

Рисунок 5. Принципиальные схемы возбуждения С.Г.

Магнитное поле С.Г. при нагрузке.

 

Чтобы нагрузить С.Г. или увеличить его нагрузку, надо уменьшить электрическое сопротивление между зажимами фаз обмотки статора. Тогда по замкнутым цепям фазных обмоток под действием ЭДС обмотки статора потекут токи. Если считать, что эта нагрузка симметрична, то токи фаз создают МДС трехфазной обмотки, которая имеет амплитуду  

и вращается по статору с частотой вращения n1, равной частоте вращения ротора. Это значит, что МДС обмотки статора F3Ф и МДС обмотки возбуждения FВ, неподвижная относительно ротора, вращаются с одинаковыми скоростями, т.е. синхронно. Иначе говоря, они неподвижны относительно друг друга и могут взаимодейст-вовать.
В то же время в зависимости от характера нагрузки эти МДС могут быть по-разному ориентированы относительно друг друга, что изменяет характер их взаимодействия и, следовательно, рабочие свойства генератора.
Отметим еще раз, что воздействие МДС обмотки статора F3Ф = Fa на МДС обмотки ротора FВ называется «реакция якоря».
В неявнополюсных генераторах воздушный зазор между ротором и статором является равномерным, поэтому индукция В1, созданная МДС обмотки статора, распределена в пространстве как и МДС F3Ф = Fa синусоидально независимо от положения ротора и обмотки возбуждения.
В явнополюсных генераторах воздушный зазор неравномерен как за счет формы полюсных наконечников, так и за счет междуполюсного пространства, заполненного медью обмотки возбуждения и изоляционными материалами. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора под полюсными наконечниками значительно меньше, чем в области междуполюсного пространства. Ось полюсов ротора С.Г. называют его продольной осью d - d, а ось междуполюсного пространства — поперечной осью С.Г. q - q.
Это значит, что индукция магнитного поля статора и график её распределения в пространстве зависят от положения волны МДС F3Ф обмотки статора относительно ротора.
  Допустим, что амплитуда МДС обмотки статора F3Ф = Fa совпадает с продольной осью машины d - d, а пространственное распределение этой МДС синусоидально. Положим также, что ток возбуждение равен нулю Iво = 0.
Для наглядности изобразим на рисунке линейную развертку этой МДС, из которой видно, что индукция магнитного поля статора в области полюсного наконечника достаточно велика, а в области междуполюсного пространства резко снижается практически до нуля из - за большого сопротивления воздуха.

Рисунок 6. Линейная развертка МДС обмотки статора по продольной оси.

Такое неравномерное распределение индукции с амплитудой В1dmax можно заменить синусоидальным распределением, но с меньшей амплитудой В1d1max.
Если максимальное значение МДС статора F3Ф = Fa совпадает с поперечной осью машины, то картина магнитного поля будет иной, что видно из рисунка линейной развертки МДС машины.

Рисунок 7. Линейная развертка МДС обмотки статора по поперечной оси.

Здесь также величина индукции в районе полюсных наконечни-ков больше, чем в области междуполюсного пространства. И вполне очевидно, что амплитуда основной гармоники индукции поля статора В1d1 по продольной оси больше амплитуды индукции поля В1q1, по поперечной оси. Степень уменьшения индукции В1d1 и В1q1, которое обусловлено неравномерностью воздушного зазора учитывают с помощью коэффициентов:

Они зависят от многих факторов и, в частности, от отношения сигма/тау(извените нету символа) (относительная величина воздушного зазора), от отношения

(коэффициент полюсного перекрытия), где вп — ширина полюсного наконечника, и от других факторов.