§ 6.4. РАБОТА ГЕНЕРАТОРА ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ

ЭДС в обмотке якоря. При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения, причем он направлен по  оси  полюсов  ротора  и  индуцирует  в  фазах

Рис. 6.17. Характеристика холостого хода синхронного

обмотки якоря ЭДС. Первая гармоническая Е0* этой ЭДС определяется по той же формуле, что и первая гармоническая ЭДС для асинхронной машины: где wa и kобa — число витков в фазе и обмоточный коэффициент обмотки якоря; Фв — поток первой гармонической магнитного поля возбуждения.

---

* Для обозначения потоков первых гармонических магнитного поля, основных гармонических ЭДС и токов в формулах и на векторных диаграммах применяются соответствующие буквенные символы без индекса «1».

---

При небольших токах возбуждения магнитный поток мал и стальные участки магнитопровода машины не насыщены, вследствие чего их магнитное сопротивление незначительно. В этом случае магнитный поток практически определяется только магнитным сопротивлением воздушного зазора между ротором и статором, а характеристика холостого хода Е0 = f(Iв ), или в другом масштабе Ф = f(Iв ), имеет вид прямой линии (рис. 6.17). По мере возрастания потока увеличивается магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода. При индукции в стали более 1,7—1,8 Тл магнитное сопротивление стальных участков сильно возрастает и характеристика холостого хода становится нелинейной. Номинальный режим работы синхронных генераторов приблизительно соответствует «колену» кривой характеристики холостого хода; при этом коэффициент насыщения kнас , т. е. отношение отрезков ab/ac, составляет 1,1 — 1,4.

В ряде случаев при рассмотрении работы синхронной машины для облегчения математического анализа не учитывают нелинейность кривой холостого хода, заменяя ее прямой линией. В качестве спрямленной характеристики принимают касательную к кривой холостого хода (прямая 1 на рис. 6.17) или прямую, проходящую через точку b, соответствующую рассматриваемому режиму работы, например номинальному напряжению (прямая 2). Характеристика 1 соответствует работе машины при отсутствии насыщения; характеристика 2 учитывает некоторое среднее насыщенное состояние магнитной цепи машины.

В теории синхронной машины широко используют систему относительных единиц. Основные параметры машины (ток, напряжение, мощность, сопротивления) выражают в долях соответствующей базисной величины*. В качестве базисных единиц при построении характеристики холостого хода прини­мают номинальное напряжение Uном машины и ток возбужде­ния Iв0 , при котором ЭДС E0 = Uном . При этом относительные   значения   ЭДС   и   тока   возбуждения   E*0 = E0 /Uном ; Iв* = Iв /Iв0 .

---

* Для обозначения величин в относительных единицах используют те же буквенные символы, но со звездочками.

---

Характеристики холостого хода, построенные в относительных единицах для различных синхронных генераторов при одинаковых коэффициентах насыщения, совпадают (см. гл. 3). Поэтому характеристику холостого хода в относительных единицах можно принять единой для всех генераторов; для каждого конкретного генератора различие будет только в базисных единицах и коэффициентах насыщения.

Форма кривой напряжения. Напряжение, индуцированное в обмотке якоря при холостом ходе, должно быть практически синусоидальным. Согласно ГОСТу напряжение считается прак­тически синусоидальным, если разность между ординатой действительной кривой напряжения и ординатой синусоиды в одной и той же точке для генератора мощностью до 1 MB• А не превышает 10%, а для генератора свыше 1 MB • А — 5 % от амплитуды основной синусоиды. Чтобы получить кривую напряжения, близкую к синусоидальной, желательно иметь в машине приблизительно синусоидальное распределение магнитного поля. Для этого в неявнополюсных машинах обмотку возбуждения распределяют так, чтобы были уменьшены амплитуды МДС высших гармонических (см. гл. 3). В явнополюсных машинах это достигается путем увеличения зазора под краями полюсных наконечников. Обмотку якоря выполняют распределенной (q = 4 ÷ 6) с укороченным шагом (у ≈ 0,8τ). Чтобы исключить третьи гармонические токи и уменьшить потери мощности в машине, обмотку якоря в трехфазных генераторах соединяют по схеме Y. При этом отсутствуют третьи гармонические в линейных напряжениях. Подавление третьих гармонических в кривой фазного напряжения путем укорочения шага обмотки нерационально, так как при у = 0,66τ существенно уменьшается первая гармоническая.

Рис. 6.18. Магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре неявнополюсной и явнополюсной машин

Указанные меры позволяют получить на выходе машины практически синусоидальную ЭДС, поэтому при дальнейшем рассмотрении теории синхронной машины можно учитывать поток только первой гармонической магнитного поля и соответствующую гармоническую ЭДС. Поток первой гармонической магнитного поля возбуждения Фв называют потоком возбуждения, потоком взаимоиндукции. Магнитное поле возбуждения. Магнитное поле, созданное обмоткой возбуждения, характеризуется рядом коэффициентов, посредством которых реальное распределение индукции в воздушном зазоре приводится к синусоидальному. К числу этих коэффициентов относятся: коэффициент формы кривой поля возбуждения kв = Bвm1/Bвm - отношение амплитуды первой гармонической Bвm1 индукции поля возбуждения в воздушном зазоре к амплитуде Bвm действительного распределения этой индукции; коэффициент потока возбуждения kФ = Ф/Фв — отношение потока Ф, созданного обмоткой возбуждения в воздушном зазоре, к потоку первой гармонической Фв этого поля (потоку взаимной индукции). На рис. 6.18, а, б показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для неявнополюсной машины. На одно полюсное деление ротора приходится значительное число пазов (20—40), поэтому можно принять, что распределение индукции в воздушном зазоре вдоль окружности якоря (сплошная линия) имеет трапецеидальный характер. При таком распределении коэффициенты kв и kФ зависят только от относительной длины γ обмотанной части полюсного деления ротора τ, т. е. от коэффициента полюсного перекрытия αi =Bв.ср/Bвm = 1 - 0,5γ. При этом коэффициент формы кривой поля возбуждения

а коэффициент потока возбуждения

В синхронных машинах коэффициент γ = 0,65 ÷ 0,80. В этом случае (при отсутствии насыщения) kв = 1,065 ÷ 0,965, а kФ = 0,995 ÷ 0,975. На рис. 6.18, в, г показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для явнополюсной машины. При проектировании явнополюсных синхронных машин стремятся, чтобы кривая распределения поля возбуждения в воздушном зазоре (сплошная линия) приближалась к синусоиде (для этого воздушный зазор выполняют неравномерным), однако получить идеальное распределение не удается. Поэтому наряду с первой гармонической (штриховая линия) имеется и ряд высших гармонических. Форма распределения магнитного поля и коэффициент kв зависят от коэффициента αi = bр /τ и формы воздушного зазора, т. е. от отношений δmax /δ и δ/τ . Обычно αi =0,65 ÷ 0,75; δmax /δ = 1 ÷ 2,5 и δ/τ = 0,01 ÷ 0,05. При этих условиях kв = 0,90 ÷ 1,2. Коэффициент магнитного потока kФ также зависит от формы распределения магнитного поля и представляет собой отношение площадей, ограниченных рассматриваемыми кривыми. При указанных выше значениях bр /τ, δmax /δ и δ/τ коэффициент kФ = 0,92 ÷ 1,08.