Синхронды қозғалтқыштың электромагниттік моменті

 

1.3.Синхронды генератордың бос жүріс жұмысына талдау

       

         Синхронды генератордың роторы сырттай механикалық энергия көздерінен айналады (бугидротурбина немесе іштен жанатын қозғалтқыш). Ротордың магнит полюстері туғызған магнит өрісі (немесе қоздыру  орамасы, осы тұрқты ЭҚК көзше қосқанда) ротормен бірге аиналып, статор орамаларына еніп, косинусойда заңы бойынша өзгертуді; және оның әр орамасында синусойда тәрізді айныма-лы ЭҚК ев-ні индукциялайды, ол электромагниттік индукция заңына сәйкес келеді:

мүндағы  статор орамасы орамында индукцияланған ЭҚК-інің тербелмелі шарықгау (амплитуда) мәні. Синхронды генератор статоры орамасының орамасында индукцияланған ЭҚК-інің әсеретуші мәні екенін ескере отырып, мына теңдеумен өрнектеледі:

Синхронды генератор статорының бір шарғысы үшін фазалық ораманың орам саны у онда индукцияланатьш ЭҚК мәндерінің қосындысы былай анықталады:

Іс жүзінде статор фазасының орамалары бірнеше шарғыдан тұрады, олардың жақтары статордың ішкі беттерінде өздерінің аумағындағы ойықтарда, бірқалыпты таралып орналасады.Онда индукцияланатын ЭҚКтер фаза бойынша, бір-біріне қарағанда,  бұрышына ығысады да, мынаған теңеледі:

мұндағы іс-ойықтық бөліну (көрші ойықтар арасының қашықтығы)а-ойықтық ЭҚК-тің векторлық дийграммасындағы көрші шарғылар жақтарындағы ЭҚК-тің векторлар арасындағы, электрлік градуспен алынған ығысу бұрьш  р-синхронды генератордың роторының жұп полюстер саны; 2пс-синхронды генератор статорының ойықтар саны; т-синхронды генератор статорының полюстік бөлінуі: мұндағы Ос-статордың ішкі диамметрі. [5-614б].

Мұндай ораманың фазалық ЭҚК шамасы ойықтық ЭҚК-і векторлық диаграммасындағы векторлар жиынтығы ретінде анықталады, ол көрсетілген.

Синхронды генератордың жүктемеленгендегі жүмысы.Синхронды үшфазалы генератордың қысқыштарын жүктемемен жалғастырғанда, жоғарыда атап өтілгендей, оның статоры орама-сынан тоқ өтеді және айналмалы магнит ағыны пайда болады. Со нымен, жүктемесіз жұмыс жасаған кездегі машинаға полюстерді қоздыру орамасында пайда болған бір ғана магаит өрісі әсер ететін болса, жүктелген кезде, полюстердің айнымалы магнит өрісіне статор орамасының айнымалы магнит өрісі қосылады. Машинаның қорытынды магнит өрісі осы екі магнит өрісінің өзара бірлесе әрекеттесуінен пайда болады.

Ротор полюстерінің магнит өрісі түрақты тоқтан, ал статор орамасының магнит өрісі айнымалы тоқтан туындауына қарамастан, ол екеуі бір жылдамдықпен және бір бағытта айналатын тұрақты магнит өрісі сияқты өзара бірлесе әрекеттесетін болады. Шын мәнінде, полюстер магнит өрісі пайда болуы табиғатынан тұрақты бола тұра, ротордың айналу жылдамдығымен айналып, статор орамасында жиілігі айнымалы үшфазалы ЭҚК-ті индукциялайды, ол қосылған жүктеме бар кезінде, шамасы тұрақты және орама бойымен пс=рп/60 жылдамдықпен айналатын магнит өрісін тудыратын, үшфазалы айнымалы тоқты шақырадыпен пс=рп/60-ті салыстыра отырып, п =пс деп аламыз былайша айтқанда, статор орамасымен полюстердің қоздырғыш орамасының магнит ағындары бірдей. Сонымен, екі магнит ағыны да бірдей жылдамдықпен айналып синхронды генератордың  тәртібіне қарамастан, бір-біріне қарағанда қозғалыссыз қалады. Бір магнит өткізгіште екі магнит өрісінің болуы, олардың «якорь реакциясы» деп аталатын, бірлесіп қимылдауына және синхронды машинаның бірегей қорытыңдылаушы магнит өрісін  пайда болуына сөзсіз әкеледі. Синхронды машина үшін «якорь реакциясы» деу тұрақты тоқ машиналарына ғана келеді оны дұрысында «статор реакциясы» деп атауы оң болар еді, шындығында, статор орамасының магнит ағыны статор полюстері орамасының магнит өрісімен «реакцияға» түседі. Якорь сөзі теңіз терминдерінен ауысқан және магнит полюстерінің түрі теңіз якорын еске түсіретін роторды солай атаған. Сондықтан синх-ронды машинаның статорын якорь деп атау заңсыз. Жалпы жағдайда, машинаның қорытындылаушы магнит өрісі Ф ротор полюстері Ф мен статор орамасы Ф магнит өрістерінің векторлық жиынтығымен анықталады:

Ф=Фр+Фс

Бұл өзараәрекеттесуі физикалық жағынан өте күрделі процесс. Ол ротордың магнит полюстерінің синхронды машиналардың ста-торы орамасының біліктеріне қарай орналасуы мен олар арқылы өтетін, уақыт жағынан алғанда, онда индукцияланған ЭҚК пен таза активті жүктеме кезінде үйлесетін, индуктивті жүктеме кезін-де одан қалып қоятын немесе сиымдылық жүктеме кезінде озатын тоқтардың сипаттамасына тәуелді. Статор орамасына индуктив-ті жүктеме түскенде статор магнит ағынының «реакцияеы» магнитсіздендіруші, сиымдылық тоғында-магниттеуші, ал активті-де-полюстың бір жағынан магнитгеуші және екінші жағынан, сол полюсті, магнитсіздендіргіші болады. Активті индуктивті жүктеме болған кезде, синхронды генератор статоры орамасының магнит ағыны Фс уақыт жағынан ротор полюстерінің магнит өрістерінен Ө бұрышына; сондай-ақ статор орамасының қысқыштарындағы кернеуде индукцияланған ЭҚК Е қарағанда, қалып қоятын болады. Уақыттың жылжуына машинаның қорытыңдылаушы магнит өрісі білігі мен ротор полюстері арасындағы кеңістікте жылжу бұрышы сәйкес келеді. [6-314б].

Еркін жүктемелеу жағдайында статор орамасындағы тоқ I кер-неудің І  уақыт жағынан ф бұрышына және ротор полюстерінің магнит өрісі йндукіщялаған ЭҚК Е-ден  бұрышына жылжыған болса, статордың магнит өрісінен екі құраушыға жіктеуге болады:

-  ротор  магнит полюсінің бойлық білігі  бойымен;

- ротор магнит  полюсінің көлденең білігі бойымен.

Мұнда магнит полюстері бойымен кететін білікті бойлық деп, ал оған перпендикуляр өсті- көлденең деп атау қабылданған. Соларға тура келетін магнит ағындарының тоқгар мен ЭҚК-тердің құраушыларына сәйкес индекс алады: й-бойының  және ц-көлденең. Сонымен ротор полюстерінің магнит ағындарына Фр қарағанда уақыт жағынан жылжыған статор орамасының магнит ағынын Фс бойлық Фса жэне көлденең Фс қараушылардан тұратын, өзара бірі-мен бірі байланысқан деп қарап, өрнегін былай жазуға болады:

\|/ бұрышы  ЭҚК пен статор орамасы тоғы  векторлары арасындағы жылжу  бұрышы болып табылады. Бойлық  біліктегі магнит ағыны Фса магнитсіздендіргіш (активті-индуктивті жүктемеде) немесе магниттендіргіш (активті-сыйымдылық жүктемеде) магнит өрісін ротор айналымы бағытына, ал көлденең білік бойындағы магнит ағыны Фсч кері бағытқа қарай жылжытады. Синхронды машинаның магнит ағындарын бойлық жэне көлденең құраушыларға жіктеуді 1895 жылы француз электртехнигі А. Блондель алғаш ұсынған, ол екі "реакция" әдістемесі деп аталады. Айқын полюсті синхронда машиналардың жұмыс тәртіптеріне талдау жасағанда, кеңінен қолданады. Айқын полюсті машиналардың жұмысын зерттеу француздың басқа бір электр-технигі А.Потье 1900 жылы ұсынған әдістемелікке негізделеді. [7-412б].

Жалпы синхронды машиналардың және жекелеп алғанда, генераторлардың жұмысын зерттеу, асинхронды маши-налардың жұмыс тәртібіне талдау жасауға қарағанда, айтарлықтай қиыншылықтармен байланысты. Бұл электромагниттік процесстердің күрделілігіне байланысты. Ол әртүрлі екі магнит ағындарының ротор магнит полюстерінің, айнымалы магнит өрісінің әсер етуінен пайда болған, статордың үшфазалық орамасының синусоидты тоқтарыңың өзара бірлесе әрекеттесуіне байланысты. Айқын көрінетін полюстері бар роторлардың құрылысы ауа саңнлаулауларының айқын көрінетін бір тегіс еместігіне, ол синх-ронды машинаның магнит өткізгіштерінің магнит кедергілерінің бірдей болмауына соқтырады. Құрылысы мұндай ротордың  өзара индукциялануы процесс барысында оның айналуына байланысты, белгілі периодтылықпен, шамасы жағынан, өзгеріп отырады. Дегенмен, инженерлік тәжрибеде ротор полюстерінің қоздыру орамалары арқылы тұрақты тоқ өткенде болатын процесстерді ойша дерексіз-дендіруге толығымен болады, ол үшін "статор реакциясы" өрісімен шашырау өрісі бір-бірінен және ротор полюстерінің магнит өрісінен, тәуелсіз өмір сүреді деп есептеу керек. Сонда, статор орамасының өрісінің толық ағын тізбекгін алып, синхронды индуктивті кедергі деп аталатын, бір ғана индуктивті кедергіні қарастыруға болады. Синхронды машиналарда өтетін электрофизикалық процесстер, оның роторының конструкциялық орындалуына сәйкес айтарлықгай тәуелді болады. Айқын  полюсті роторлы синхронды машинаның жұмыс процессі, ауа саңылауындағы түрі ЭҚК-пен статор орамасы тоғының арасындағы бұрыштың ЧР өзгеруімен бірге өзгеріп тұратын, индукция қисығының айқын көрінетін синусойдалық сыздығына байланысты бірқатар ерекшеліктермен сипатталады. Сондықтан, айқын полюсті және айқьщдалмаған полюсті роторлы синхронды машиналардьщ жұмыс тэртібін зерттеуді бөліп қарау, әдістемелік көзқарас тұрғысынан, орынды.Айқын емес полюсті синхронды машиналардың электрлік тепе-теңдік теңдеуі.

Цилиндр пішінді ротордың арасындағы айқындалмаған полюсті синхронды машиналардың ауа саңылаулары мен ондағы магнит ағындарын бойлық және көлденең құраушылары деп білудің қажеті жоқ. Ендеше статор орамасының синхронды индуктивті кедергісін, индуктивті екі кедергінің қосындысы деп қарауға болады:

                                                     Х-Х+Х,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   'мұндағы Х-статор орамысының синхронды индуктивті кедергісі; Хос-статор орамасының негізіі магнит ағынан Фс пайда болған ин-дуктивті кедергісі; Х-статор орамасының шашыранды магнит ағынынан Ф15 пайда болған шашыранды индуктивті кедергі. Демек, егер ротор полюстерінің магнит ағындары Ф статор орамасында ЭҚК Е-ні индукциялайтын болса, онда, статор орамасының негізгі магнит ағыны Фс шашыранды ағынмен бірге Ф1б, синхронды машинаның синхронды индуктивті кедергісінің шамасын қамтамасыз етеді. Кейбір шектеулерді ескере отырып, айқындалмаған полюсті синхронды машина статоры орамасының электрлік тепе-теңдік теңдеуін, былай жазүға болалы:

мұндағы Ц-синхронды генератордың қысқыштарындағы кернеу; Е10 синхронды генератордың жүктемесіз жұмысының ЭҚК; Іо синх-ронды генератор статоры орамасының тоғы; г- статор орамасының активті кедергісі; хс-(3.12).

Айқышполюсті синжронды машинаның (генератор) электрлік тепе-теңдігінің теңдеуі. Айқынполюсті роторлы синх-ронды машинаның жұмыс процессі, жоғарыда айтылғандай, ауа са-ңылауында айқын көрінетін йндукцияның таралуы, түрі ЭҚК пен статор орамасы тоғының арасындағы бүрыштың өзгеруімен бірге құбылып отыратын біркелкіеместігімен сипатталады. [8-147б].

А. Блондельдің қос «реакция» теориясын пайдалана отырып статор орамасының негізгі магнит ағынын Фс ротор полюстері білігімен сэйкес келетін магнит ағынын бойлық Фса және оның перпендикуляр келетін көлденең Фсс} тармақтарға ажыратпай, айқынполюсті синх-ронды машина статоры орамасының электрлік тепе-теңдік теңдеуін былай жазуға болады:

 

Статор тоғының көлденең білігімен өтетін құраушысы: ха-статор реакциясының бойлық ағыны негіздеген индуктивті кедергі;

х -"статор рекциясы" ендік ағыны негіздеген индуктивті кедергі;

х -статор орамасының индуктивтік шашыраңқылық кедергісі;

   ЭҚК Е10 мен сихронды генератор тоғының І векторлары арасындағы ығысу бұрышы;

Ө-синхронды машинаның ЭҚК Е мен кернеуі U  векторлары арасындағы ығысу бұрышына, тең, ішкі бұрышы. 

Мж - жұмыстық момент; Мн - номинальдық момент; Мжб – жүргізіп жіберу (пусковой) моменті; Мк – шектік (критический) момент

Синхронды машиналар электр машиналардың көпшілігі сияқты қозғалтқыш режимде де, генераторлық режимде де жұмыс жасай алады. Бірақ өндірісте олар генератор ретінде кеңінен қолданылады. Барлық электр станцияларда электр энергиясын өндіруші негізгі қондырғы ретінде саналады.

Олар қозғалтқыш ретінде айналу жиілігінің тұрақты болуы қажет өндірісте қолданады (мысалы, газ және мұнай айдаушы станциялардағы компрессорлардың және насостардың жетегінде, металургиялық заводтарда , құрылыс өндірісінде). [9-321б].

Олардың статоры синхронды машиналардың статоры сияқты корпустан, өзекшеден және орамадан тұрады. Өзекшенің ойықтарына кеңістікте бірі-бірінен 120° ығысқан үш ораманың өткізгіштері орналасады.

Синхронды машиналардың роторында қоздыру орамасы орналасады, олардың ұштары қозғалмалы сақиналар және қозғалмайтын щеткалар арқылы тұрақты ток көзіне қосылады. 

Ротор екі түрлі болады: а) анық полюсті; б) анық емес полюсті

Анық полюсті ротор (а) цилиндрлік болат өзекшеден, оған бекітілген магниттік полюстардан және қоздыру орамасынан тұрады. Мұндай ротор ақырын қозғалатын (1000 айн/мин дейін) машиналарда қолданылады.Анық емес полюсті ротор (б) бітеу цилиндр болаттан жасалады. Цилиндрде ойықтар жасалып, оларға қоздыру орамасын орналастырады. Цилиндрдің 1/3 ойықтар болмайды, бұл бөлік полюстің өзекшесі ретінде саналады. Тұрақты тоқ машинасы сияқты келесі төрт жұмыстық тәртіптің біреуінде 

жұмыс істеуі мүмкін:

1. Двигательді тәртіп 0<S<1;

2. Рекуператорлық тежеу  немесе генераторлық тәртіп (жүйемен  бір мезгілде жұмыс істеген  кезде) 0>S;

3. Қосылуына бөгет болатын  тежеу S>1;

4. Динамикалық тежеу.

Синхронды машинаның тежеу тәртіптерінің әрбіреуін анығырақ қарастырайық.  

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Синхронды электр  машинаның генераторлық тәртіппен  жұмыс жасауы. Жүйемен бір мезгілде  жұмыс істейтін генераторлық  тәртіп

2.1.Синхронды  генератордардын параллельдік жұмысы

 

       Бұл тәртіп ротор айналуының жылдамдығы синхронды жылдамдығынан жоғары болғанда ғана мүмкін, яғни  . Ротор тізбегіне қосылған реостат кедергілерінің түрлі мағыналарында осы тәртіпті безендіретін механикалық мінездемелер төменде көрсетілген.  

 

11.1 Cурет – Қозғалтқыштық және генераторлық режимдеріндегі синхронды қозғағышының табиғи және реостатты механикалық сипаттамалары 

Синхронды машина жүйеге қосылған дейік, және двигательді тәртіпте жұмыс істеп, сонымен қатар ол жүйеден актив-индуктивті мінезді тоғын жұмсайды. [10-412б].

Тоқтардың векторлық диаграммасы және статордың бір фазасының кернеулігі төменде көрсетілген. Uф арқылы статордың фазалық кернеулігі белгіленген, І1 – статордың фазалық тоғы, ал І1а және І1р сәйкесінше статордың фазалық тоғының активті және реактивті құрастырушылары. 

 

11.2 Cурет – Синхронды қозғағыштың бір фазасы үшін оңайлатылған векторлық диаграммасы. 

Роторға түсетін жүктемені біртіндеп төмендете бастаймыз, осының нәтижесінде ротор айналуының жылдамдығы жоғарылап және двигатель жұмсайтын тоғы төмендей бастайды. Тоқтың векторлық диаграммалары және жүктемені төмендеткен кездегі статор тоғының төмендеуін безендіретін статордың бір фазасыныңкернеулігі төменде көрсетілген:

Тұрақты токтың электр машиналары өзінің қолдананылу саласына қарай механикалық энергиялық энергияны кернеуі тұрақты болатын электр энергиясына түрлендіретін электр генераторлары және тұрақты токтын электр энергиясын түрлендіретін электрқозғалтқыштары деп бөлінеді.Бұл механикалық энеригия іс жүзінде,өндірісте қандай да болмасын орындаушы механизмдерді іске қосу үшін қызмет етеді.Туракты токтын электр машинасынын ишки кориниси(1 сурет).

 1. 2. катушка 3.Вал. 4.негизги полюс. 5.косымша  полюс.6.статор 

Ең алғашқы электр машинасы тұрақты токтың электр қозғалтқышы болды.Қазіргі уақытта,өндірістен шығарылатын арнайы электр машиналарының түрлері көп,мысалы,тұрақты токтың энергиясын айнымалы ток энергиясына түрлендіретін машиналар немесе керісінше,автоматты реттеу жүйелеріндегі өлшеу,санау-есептеу құрылғыларында датчик есебіндегі микромашиналар және т.б.