Mister 220V

Отличительная особенность синхронных реактивных двигателей (СРД) — отсутствие у них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет МДС обмотки статора. В двух- и трехфазных СРД эта МДС является вращающейся.

Для выяснения принципа действия СРД обратимся к выражению электромагнитного момента явнополюсной синхронной машины [см. (21.10)], из которого следует, что если отключить обмотку возбуждения (Е₀ = 0), то основная составляющая момента становится равной нулю и на ротор машины продолжает действовать лишь реактивная составляющая момента [см. (21.12)]

Принцип действия СРД заключается в следующем. При включении обмотки статора в сеть возникает вращающееся магнитное поле. Как только ось этого поля d’ — d’ займет положение в пространстве расточки статора, при котором она будет смещена относительно продольной оси невозбужденных полюсов ротора d — d на угол 0 в сторону вращения (рис. 23.4, а), между полюсами этого поля и выступающими полюсами невозбужденного ротора возникнет реактивная сила магнитного притяжения полюса ротора к полюсу вращающегося поля статора F_p. Вектор этой силы F_p смещен относительно продольной оси ротора также на угол 0, поэтому сила F_p имеет две составляющие: нормальную F_np, направленную по продольной оси ротора, и тангенциальную F_tp, направленную перпендикулярно продольной оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих реактивных сил F_tf на всех полюсах невозбужденного ротора создаст вращающий реактивный момент М_р, который будет вращать ротор с синхронной угловой скоростью_:. С ростом статического нагрузочного момента на вал СРД угол 0 увеличивается и момент М_р возрастает.

Однако при значении угла 0 = 90° реактивный момент М_р = 0. Такая зависимость момента М_р от угла 0 является принципиальной для реактивного момента (см. рис. 22.2, график 3), отличающей его

от основной составляющей электромагнитного момента М_осп синхронного двигателя с возбужденным ротором (см. рис. 22.2, график 1), который при 0 = 90° имеет максимальное значение. Из рис. 23.4, б видно, что при 0 = 90° реактивные силы магнитного притяжения F_p, действующие на каждый полюс невозбужденного ротора, взаимно уравновешиваются и реактивный момент М_р = 0. Максимальное значение реактивного момента М_ртах наступает при значении угла 0 = 45°. Поэтому зависимость реактивного момента М_р от угла 0 определяется выражением

Графически эта зависимость представлена графиком на рис. 22.2. Непременное условие создания реактивного момента М_р — явно полюсная конструкция ротора, так как только в этом случае Мощность СРД и развиваемый им момент меньше, чем у синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора. Объясняется это тем, что у СРД из-за отсутствия магнитного потока ротора ЭДС Е₀ = 0, поэтому основная составляющая электромагнитного момента М_осп = 0 [см. (21.11)] и электромагнитный момент СРД определяется лишь реактивной составляющей (М = М_р). Поэтому при одинаковых габаритах синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора и СРД мощность на валу и развиваемый момент у СРД намного меньше.

К недостаткам СРД следует также отнести невысокие значения коэффициента мощности и КПД. Объясняется это значительным намагничивающим током статора, так как возбуждение СРД происходит за счет магнитного поля статора.

В СРД применяют асинхронный пуск. Для этого ротор снабжают короткозамкнутой пусковой клеткой. На рис. 23.5, а показана традиционная конструкция ротора СРД, отличающаяся от ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин, обеспечивающих ротору явнополюсную конструкцию.

Чем больше эти впадины, тем больше отношение x_d/ x_d , а следовательно, больше реактивный момент М_р. Однако с увеличением впадин растет средняя величина воздушного зазора, что ведет к повышению намагничивающего тока статора, а следовательно, к снижению и без того невысоких энергетических показателей двигателя — коэффициента мощности и КПД. Кроме того, с увеличением впадин сокращаются размеры пусковой клетки, что ведет к уменьшению асинхронного момента, т. е. пускового момента и момента входа в синхронизм.

Наилучшие результаты дает следующее соотношение размеров ротора:

В этом случае удается добиться отношения x_d/x_q = 2.

Более совершенна секционированная конструкция ротора СРД, представляющая собой цилиндр, в котором стальные полосы 2 залиты алюминием 1 (рис. 23.5, б). Такая конструкция ротора позволяет получить отношение x_d /x_q » 4 ¸5. За счет этого существенно возрастает момент М_max при сохранении намагничивающего тока на допустимом уровне.

На торцах секционированного ротора имеются отлитые из алюминия кольца, замыкающие алюминиевые прослойки ротора, образуя короткозамкнутую пусковую клетку.

Простота конструкции и высокая эксплуатационная надежность обеспечили СРД малой мощности широкое применение в устройствах автоматики для привода самопишущих приборов, в устройствах звуко и видеозаписи и других установках, требующих строгого постоянства частоты вращения.

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отличается от напряжения этого генератора в режиме холостого хода. Это объясняется влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассеяния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Как было установлено, при работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МДС, которые, взаимодействуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, условно исходят из предположения независимого действия всех МДС генератора, т. е. предполагается, что каждая из МДС создает собственный магнитный поток.

Следует отметить, что такое представление не соответствует физической сущности явлений, так как в одной магнитной системе возникает один лишь магнитный поток — результирующий. Но в данном случае предположение независимости магнитных потоков дает возможность лучше понять влияние всех факторов на работу синхронной машины.

Итак, выясним, каково же влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.

1. МДС обмотки возбуждения F_BO создает магнитный поток возбуждения Ф₀, который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней основную ЭДС генератора Е₀.

2. МДС реакции якоря по продольной оси F_ld создает магнитный поток Ф₀, который наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря E_ld [см. (20.22)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по продольной оси x_ad [см. (20.24)]. Это сопротивление характеризует степень влияния реакции якоря по продольной оси на работу синхронного генератора. Так, при насыщенной магнитной системе машины магнитный поток реакции якоря Ф_ы меньше, чем при ненасыщенной магнитной системе. Объясняется это тем, что поток Ф_и почти полностью проходит по стальным участкам магнитопровода, преодолевая небольшой воздушный зазор 8 (см. рис. 20.3, а), а поэтому при магнитном насыщении сопротивление этому потоку заметно возрастает. При этом индуктивное сопротивление х_ы уменьшается.

3. МДС реакции якоря по поперечной оси F_lq создает магнитный поток Ф_1?, наводящий в обмотке статора ЭДС E_lq [см. (20.23)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по поперечной оси х_ад [см. (20.25)]. Сопротивление х_щ не зависит от магнитного насыщения машины, так как при явнопо-люсном роторе поток Ф₁ проходит в основном по воздуху межполюсного пространства (см. рис. 20.3, б).

4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора Ф₀₁ (см. рис. 11.4) наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния E_al, значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора х₁.

5. Ток в обмотке статора I₁ создает активное падение напряжения в активном сопротивлении фазы обмотки статора r₁

Выражения (20.28) и (20.29) представляют собой уравнения напряжений явно полюсного синхронного генератора.

В неявнополюсных синхронных генераторах реакция якоря характеризуется полной МДС статора без разделения ее по продольной и поперечной осям, так как в этих машинах магнитные сопротивления по этим осям одинаковы. Поэтому ЭДС статора в неявнополюсных машинах E_lt равная индуктивному падению напряжения в обмотке статора, пропорциональна индуктивному сопротивлению реакции якоря х_а [см. (20.19)], т. е.

Поток реакции якоря Ф_: и поток рассеяния статора Ф_ст1 создаются одним током [сравните (20.26) и (20.30)], поэтому индуктивные сопротивления можно рассматривать как суммарное индуктивное сопротивлениепредставляющее собой синхронное сопротивление неявнополюсной машины. С учетом этого, ЭДС реакции якоря E₁ и ЭДС рассеяния E_а1 следует рассматривать также как сумму

представляющую собой синхронную ЭДС неявнополюсного синхронного генератора.

С учетом изложенного уравнение напряжений неявнополюсного синхронного генератора имеет вид

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_BQ [см. (20.1)] и МДС статора (якоря) F₁ [см. (9.15)], при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от величины и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Для этого воспользуемся векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС eq, индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС F_BO) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора Д, то он может занимать по отношению к вектору eq различные положения, определяемые углом ) в зависимости от вида нагрузки.
Активная нагрузка (ф₁ = 0). На рис. 20.5, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС Е₀ в

фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора Р_г направлена перпендикулярно МДС возбуждения F_B0. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генератора проводим вектор МДС возбуждения F_BO; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС Е₀, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора Д совпадает по фазе с ЭДС Е₀, а поэтому вектор МДС Р_г, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора F_BO ^на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) F_l на МДС возбуждения F_BO вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 20.6). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е.

тора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е.
Индуктивная нагрузка (Ф₁ — 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора Д о т с т а е т по фазе от ЭДС E₀ на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС E₀ (см. рис. 20.5, б). При этом МДС статора (якоря) fi действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения F_B0. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора fi ослабляет магнитное поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка (Ф₁ = - 90°). Так как ток статора Д при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС E₀ на 90°, то своего наибольшего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 20.5, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения F_M. При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.
Смешанная нагрузка. При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора Д сдвинут по фазе относительно ЭДС E₀.

Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной F_ld n поперечной F_lq осям создают в магнитопроводе синхронной машины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков:
по продольной оси

где R_Md и R_Mq — магнитные сопротивления синхронной машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям.
В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям равны (R_Md = R_Mq = R_M).
Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

по продольной оси

где х_а — индуктивное сопротивление реакции якоря, представляющее собой главное индуктивное сопротивление обмотки статора (Ом):

Д — внутренний диаметр сердечника статора, м; f — расчетная длина сердечника статора, м;
В явно полюсных синхронных машинах магнитные сопротивления машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы (R_aq > R_Md):

где R_M — магнитное сопротивление машины при равномерном воздушном зазоре по всему периметру расточки статора.

Различие в значениях магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям оказывает влияние на величины магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря. Количественно это влияние учитывается коэффициентами формы поля.

где x_ad и x_aq — индуктивные сопротивления реакции якоря явнопо-люсной машины: по продольной оси