ЛЕКЦІЯ 40

5.2.6 ПЕРЕТВОРЕНІ ТА СПРОЩЕНІ ВЕКТОРНО-ПОТЕНЦІАЛЬНІ ДІАГРАМИ СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Векторно-потенціальні діаграми явнополюсного генератора, які зображені на (рис. 5.9 а, б) називаються основними діаграмами ЕРС. Вони дозволяють урахувати всі головні фактори, що визначають напругу синхронного генератора, в їх взаємодії між собою. Але сучасна теорія синхронних машин користується низкою параметрів, для обґрунтування яких основні діаграми ЕРС необхідно перебудовувати.

Перетворені (перебудовані) векторно-потенціальні діаграми. При такій перебудові слід виходити з того, що ЕРС розсіяння E_σ = – j I_{1 *} X_σ, може бути представлена як векторна сума ЕРС розсіяння по поздовжній та поперечній осях:

E_σ = E_σq + E_σd = – j I_{1 *}cos y_{1 *} X_σ – j I_{1 *}sin y_{1 *} X_σ = – j I _{q *} X_σ – j I _{d *} X_σ. (5.21)

Переписавши рівняння (5.8) з урахуванням (5.4) і (5.5) та (5.21) можна отримати:

U₁ = E₀ – j I _{q *} X_aq – j I _{d *} X_ad – j I _{q *} X_σ – j I _{d *} X_σ – I_{1 *} R₁. (5.22)

Після перегрупувавши та винесення струмів за дужки, будемо мати:

U₁ = E₀ – j I _{q *}(X_aq + X_σ)– j I _{d *}(X_ad + X_σ)– I_{1 *} R₁, (5.23)

де (X_ad + X_σ) = X_d;(X_aq + X_σ) = X_q – відповідно поздовжній та поперечний синхронні індуктивні опори явнополюсної машини.

З урахуванням синхронних індуктивних опорів, та нехтуючи падінням напруги на активному опорі, рівняння (5.23) можна представити як

U₁ = E₀ + E_q + E_d, (5.24)

де Е_q = – j I _{q *} X_q та E_d = – j I _{d *} X_d – відповідно поперечна та повздовжня синхронні ЕРС явнополюсної машини.

Рівняння (5.24) є основою для побудови перетворених векторно-потенціальних діаграм генератора (рис. 5.16).

При побудові цих діаграм заданими вважаються величина і характер навантаження: активно-індуктивне (рис. 5.16, а) та активно-ємнісне (рис. 5.16, б), а також величини поздовжнього X_d та поперечного X_q синхронних опорів. Як правило ці опори задаються не в іменованих, а у відносних одиницях: X_{d *} та X_{q *}. Тоді для побудови діаграм спершу визначаються значення цих опорів у омах:

X_q = U_{1ном *} X_{q *}/ I_1ном;(5.25)

X_d = U_{1ном *} X_{d *}/ I_1ном,(5.26)

де U_1ном та І_1ном – номінальні фазні значення напруги та струму обмотки статора. Сам хід побудови перетворених векторно-потенціальних діаграм нічим не відрізняється від ходу побудови основних діаграм (рис. 5.9).

Спрощені векторно-потенційні діаграми. Такі діаграми будуються для неявнополюсного ненасиченого синхронного генератора, нехтуючи активним падінням напруги в обмотці статора (рис. 5.17).

Принцип побудови спрощених діаграм не відрізняються від принципу побудови основних та перетворених векторно-потенціальних діаграм. В основі їх побудови лежить рівняння (5.15).

Перетворена та спрощена векторно-потенціальні діаграми використовуються при виводі розрахункових формул електромагнітних потужності та моменту явнополюсних та неявнополюсних синхронних машин.

5.2.7 ВТРАТИ І ККД СИНХРОННИХ МАШИН

Перетворення енергії в синхронній машині, як і у будь-якій машині, пов’язане з втратами енергії. Всі види втрат в синхронній машині поділяються на основні і додаткові.

Основні втрати в синхронній машині складаються з електричних втрат – втрат в обмотці статора, втрат на збудження, магнітних та механічних втрат. На (рис. 5.18) подана енергетична діаграма синхронного генератора з незалежним збудженням, яка демонструє процес перетворення енергії та втрати, що мають місце при цьому.

Електричні втрати в обмотці статора можуть бути визначені згідно (4.45), як Р_е1 = m_{1 *}(I_1ф) ² _* R₁, де R₁ – активний опір однієї фази обмотки статора при розрахунковій робочій температурі. Слід зазначити, що враховуючи незначну величину активного опору обмотки статора, цими втратами досить часто нехтують, особливо при визначенні величин, що не потребують значної точності.

Втрати на збудження:

– при збудженні від окремого збуджувального пристрою

P_з = I_з² _* R_з + D U_{щ *} I_з, (5.27)

де I_з, R_з – струм і опір обмотки збудження, зведений до робочої температури; D U_щ ≈2В – падіння напруги в контакті “щітка – кільце”;

– при збудженні від збуджувача, з’єднаного з валом синхронної машини

P_з = (I_з² _* R_з + DU_{щ *} I_з)/ h_з , (5.28)

де h_з – ККД збуджувача; в цьому випадку втрати на збудження рівні підведеній до збуджувача потужності, тобто Р₁ збуджувача.

Магнітні втрати Р_маг синхронної машини мають місце в осерді статора, яке увесь час перемагнічується обертовим магнітним полем. Ці втрати складаються із втрат на гістерезис Р_гіст та на вихрові струми Р_{в. с .} (2.79) і можуть бути розраховані аналогічно до магнітних втрат трансформатора (2.80).

Механічні втрати Р_мех рівні сумі втрат на тертя та вентиляцію, як і в асинхронному двигуні (4.50), і при самовентиляції можуть бути розраховані (приблизно):

P_мех ≈3,68 p _*(v₂ /40) ³ _* , (5.29)

де

v₂ = p(D₁ – 2 d)_* n /60 (5.30)

– лінійна швидкість на поверхні полюсного наконечника ротора, м/c; l₁ – конструктивна довжина осердя статора, мм; D₁ – діаметр розточки осердя статора, мм, d – повітряний проміжок, мм.

Додаткові втрати в синхронних машинах поділяють на два види: додаткові втрати в полюсних наконечниках ротора від пульсації магнітного поля та додаткові втрати при навантаженні.

Додаткові втрати від пульсації магнітного поля Р_n виникають у полюсних наконечниках ротора і зумовлені пульсацією магнітної індукції в зазорі через зубчату внутрішню поверхню статора. Значення цих втрат визначається емпіричною залежністю (Вт):

Р_n = k_{п *} р _* b_{p *} l_{1 *}(10^–4 Z_{1 *} n₁)^1,5_*[(k_δ1 – 1)_* B_{δ *} τ₁ ]²_*10^–6, (5.31)

де k_п – коефіцієнт, яким враховується товщина листів сталі, з яких виготовлені полюси ротора (так при товщині листів у 1 мм k_п = 4,6; при товщині листів у 2 мм k_п = 8,6; при масивних полюсних наконечниках k_п = 23,3); b_p – ширина полюсного наконечника, мм; l₁ – довжина статора, мм; Z₁ – число пазів статора; k_δ1 – коефіцієнт повітряного проміжку статора; B_δ – магнітна індукція в повітряному проміжку, Тл; τ₁ – зубцева поділка статора, мм.

Додаткові втрати при навантажені Р_дод в синхронних машинах визначаються, як і в інших електричних машинах, у відсотках від підведеної потужності для двигуна, або від корисної потужності для генератора. Для синхронних машин потужністю до 1000 кВт додаткові втрати при навантаженні приймаються рівними 0,5 %, а для машин потужністю більше 1000 кВт – (0,25 – 0,4) % і розраховуються за (4.51).

Загальні втрати синхронної машини

å P = P_е1 + Р_з + Р_мех + Р_маг + Р_п + Р_дод. (5.32)

Коефіцієнт корисної дії:

для синхронного генератора

h_г = 1– å P /(P_2ном + å P), (5.33)

де

P_2ном = m_{1 *} U_{1фном *} I_{1фном *}cos φ_{1 *}10^–3 (5.34)

– активна потужність, що віддається генератором при номінальних фазних струмі I_1фном та напрузі U_1фном (при номінальному навантаженні), кВт;

для синхронного двигуна

h_д = 1– å P / P_1ном. (5.35)

ККД синхронної машини залежить від величини навантаження (b = Р₂ / P_ном) і від його характеру (cos j₁ для генераторів). Графік цієї залежності аналогічний графіку ККД трансформатора (рис.2. 23). Значення ККД для синхронних машин потужністю до 100 кВт складає (80 – 90) %, у більш потужних (92 – 99) %. Найбільш високі значення ККД відносяться до гідрогенераторів та турбогенераторів електричних станцій потужністю в сотні тисяч кВт.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– щоб спростити розрахунки низки величин синхронної машини векторно-потенціальні діаграми явнополюсної синхронної машини перебудовуються, а неявнополюсної спрощуються;

– побудова спрощених та перетворених (перебудованих) векторно-потенціальних діаграм проводиться так, як і основних;

– в синхронних машинах взаємне перетворення механічної та електричної енергії, як і у решти електричних машин, відбувається через електромагнітну потужність і супроводжується основними та додатковими втратами;

– до основних втрат, що мають місце в синхронній машині, відносяться електричні втрати в обмотці статора, магнітні втрати в залізі статора, механічні втрати пов’язані з тертям у підшипниках та вентиляцією, а також втрати в індукторі;

– електричними втратами в обмотці статора синхронного генератора при визначені величин, що не потребують значної точності найчастіше нехтують, враховуючи мале значення активного опру обмотки статора;

– додаткові втрати синхронної машині поділяються на втрати від пульсації магнітного поля в полюсних наконечникахта додаткові втрати при навантажені пропорційні електричній потужності машини;

Дата добавления: 2015-07-14