Определение параметров путем оценки магнитных полей в воздушном зазоре синхронной машины

ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 212

1971

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПУТЕМ ОЦЕНКИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Ю. Г. Бухгольц, В. В. Жуловян, Ю. П. Рыбкин, Г. А. Шаншуров

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и

общей электротехники)

Для расчета характеристик синхронной машины необходимо более точно знать величины синхронных индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной осям. Результаты, получаемые аналитическим путем, дают значительную погрешность вследствие целого ряда допущений при выводе уравнений.

Поэтому разработан целый ряд способов определения параметров синхронных машин опытным путем как для машин с электромагнитным возбуждением, так и для машин с возбуждением от постоянных магнитов. Однако известные способы определения индуктивных сопротивлений синхронных машин имеют целый ряд недостатков.

При определении индуктивного сопротивления по продольной оси по характеристикам холостого хода и короткого замыкания (ненасыщенное значение хс1) большая погрешность вносится за счет активного сопротивления обмоток якоря. То же самое наблюдается и при определении индуктивного сопротивления по продольной оси по характеристикам холостого хода и нагрузочной для индуктивной нагрузки (насыщенное значение ха). Погрешность за счет активного сопротивления обмоток якоря в сильной степени возрастает с уменьшением машины.

При определении индуктивных параметров способом скольжения (по продольной оси ха и поперечной оси хд), кроме погрешности от активного сопротивления, вносится также погрешность за счет влияния токов, наводимых в короткозамкнутых контурах ротора, которые искажают поле в зазоре синхронной машины [2].

Способы опытного определения индуктивных сопротивлений синхронных машин с электромагнитным возбуждением совершенно неприменимы для машин с возбуждением от постоянных магнитов вследствие невозможности регулирования потока возбуждения.

Для синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов разработан ряд способов, являющихся видоизменениями выше рассмотренных способов [3]. Эти способы также имеют целый ряд специфических недостатков, заключающихся в следующем:

1) необходимо иметь несколько однотипных машин одинаковой мощности,

2) необходимо иметь магниты с разной намагниченностью,

3) значительное размагничивание магнита в процессе эксперимента. Известные способы определения индуктивных параметров синхронных машин дают возможность определить синхронные индуктивности по продольной оси хс! и по поперечной хкоторые слагаются соответственно

из реактивности якоря по продольной оси xad и по поперечной оси xaq неиндуктивного сопротивления рассеяния якоря xs.

Xd — Xad~|~Xs, Xq^^ Xaq-j-Xg.

Следует отметить, что погрешность измерения синхронных индуктивных сопротивлений в машинах с возбуждением от постоянных магнитов за счет влияния активного сопротивления значительно выше, так как величина Xad (а у машин без полюсных башмаков и Xaq) значительно меньше, чем у машин с электромагнитным возбуждением, за счет низкой магнитной проницаемости материала постоянного магнита.

Наиболее точное определение параметров синхронной машины возможно на основе оценки картины поля в воздушном зазоре при холостом ходе и нагрузке. Зная кривые поля в зазоре машины на холостом ходу и при нагрузке, можно выделить из кривой результирующего поля (при нагрузке) кривую реакции якоря. Затем, произведя разложение кривой реакции якоря по продольной и поперечной осям, можно найти индуктивные сопротивления реакции якоря xad и xaq. Данный способ определения указанных величин вытекает непосредственно из классической теории двух реакций [1, 4, 5].

В общем случае кривые поля в воздушном зазоре могут быть несинусоидальными, несмотря на все мероприятия (укорочение обмоток, скос полюсных наконечников, скос пазов и т. д.), которые предусматриваются в машине с целью получения синусоидальной формы поля в зазоре.

В этом случае несинусоидальную кривую поля в зазоре необходимо заменить синусоидой, площадь которой равна площади несинусоидальной кривой. Полученную таким образом синусоиду назовем эквивалентной синусоидой.

Данный способ, следовательно, позволяет определить индуктивные сопротивления реакции якоря в чистом виде. При необходимости получения величин синхронных индуктивных сопротивлений Xd и xq надо знать сопротивление рассеяния обмотки якоря xs, которое определяется одним из известных способов.

Сущность способа определения параметров синхронной машины на основе оценки картины поля в воздушном зазоре поясняется на рис. 1,2, 3 и 4.

На рис. 1 показаны поле на холостом ходу синхронной машины — В0 и результирующее поле в зазоре машины при нагрузке — В^ . Из поля в зазоре при нагрузке Вз графически выделено поле реакции якоря Ва и произведено разложение его на составляющие по продольной оси машины (ось d) Bad и по поперечной оси машины (ось q) Baq.

Ва = Bad + Baq •

На рис. 2 приведена пространственная диаграмма для синхронной машины, где произведено векторное определение величины поля реакции якоря.

Определение параметров синхронной машины несколько упростится, если перейти от полей в воздушном зазоре к соответствующим электродвижущим силам, вызываемым этими полями.

На рис. 3 приведена упрощенная векторная диаграмма синхронном машины. Вектор Е0 представляет из себя э. д. с. холостого хода, вектор Е§ — э. д. с. в воздушном зазоре. Величины данных э. д. с. определяются соответствующими полями холостого хода и результирующим полем при нагрузке. На диаграмме показано также разложение тока якоря 1а и э. д. с. реакции якоря на составляющие по продольной и поперечной осям.

Рис. 2 Рис. 3

Указанная векторная диаграмма с целью обеспечения аналитического определения э. д. с. реакции якоря Еа и ее составляющих по продольной и поперечной осям (Еа(1 и Еач) преобразована к виду, показанному на рис. 4. На диаграмме вектор Е0 совмещен с положительным направлением действительной Ьси, т. е. действительная ось совмещена с осью q, а мнимая — с осью <1

На основе векторной диаграммы можно записать

Ёа - Ё6 - Ё0

или

Еаеа = Р5ее' ~ Е0-

Таким образом определение составляющих э. д. с. реакции якоря по продольной и поперечной осям сводится к определению мнимой и вещественной части вектора Еа1а .

Еае* = Еас} -г ]Еаа.

Задача определения параметров синхронной машины, как показано выше, сводится к выделению э. д. с. реакции якоря и определению углов сдвига между Е0 и 10 и 9' — между полем холостого хода и результирующим.

На рис. 5 представлена схема для определения вышеуказанных величин, а следовательно, и индуктивных сопротивлений хаС1 и хад.

Гонный двигатель I подключается к источнику питания 2 и вращается с номинальной скоростью. Ротор исследуемой машины 3 и датчик 7 жестко соединены с гонным двигателем и между собой.

8

На холостом ходу производим согласование оси сигнальной обмотки 8 и одной из фаз исследуемой машины 3. Сигнал с проводника 4 поступает на осциллограф II и вольтметр с высоким внутренним сопротивлением. Осциллографируем кривую э. д. с. холостого хода ¡-1 замеряем величину э. д. с. Е°. Включаем нагрузку 5, исследуемой машины 3,

исследуемой синхронной машины 3, осциллографируем кривую э. д. с. при нагрузке и замеряем величину э. д. с. Е о .С сигнальной обмотки 8 датчика углового положения 7 сигнал поступает на датчик угла «в'» — 9 и «гЬ» — 10. С проводника 4 сигнал поступает на датчик угла «в'» — 9, а с добавочного сопротивления 6 на датчик угла «гр» — 10. Датчики выдают значения углов в7 и гр — пропорциональные временным сдвигам э. д. с. Е а и токам нагрузки 1а относительно э. д. с. сигнальной обмотки, фиксированной во времени.

Кривые э. д. с. холостого хода проводника и э. д. с. от результати-рующего поля при нагрузке полностью повторяют кривые поля в воздушном зазоре синхронной машины

По формуле (4) определяем э. д. с. реакции якоря соответственно по осям с1 и q.

Еапеа Ещп + ]Еас:п,

где Еап — э. д. с. реакции якоря, наводимая в проводнике 4 по-

лем реакции якоря;

Еадп — э. д. с. проводника 4 от поперечной составляющей реакции якоря в зазоре синхронной машины;

Еайп — э. д. с. проводника 4 от продольной составляющей реакции якоря в зазоре синхронной машины.

По известным обмоточным данным машины (числу витков и обмоточному коэффициенту к0б) приводим э. д. с. реакции якоря проводника по осям d и q к э. д. с. реакции якоря обмотки по осям с1 и q.

Еа(3 = Еас1п'коб^ Еад = Еадп * коб^У .

Зная величину тока нагрузки и угол сдвига гр между векторами Е;) и 1а (рис. 2 и 3), определяем проекции тока фазы соответственно по осям с! и q.

1(1 = 1а * ЭШгр — 1а * СОБгр

По известным значениям э. д. с. реакции якоря и тока фазы по соответствующим осям с! и q определяем соответственно величину индуктивных сопротивлений реакции якоря по продольной и поперечной осям

и

ЕаЯ

Углы сдвига гр и в' измеряются одним из методов, изложенных в [6]. Выбор метода измерения определяется потребной степенью точности измерения индуктивных параметров синхронной машины.

Данный способ позволяет также определить индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря. Из диаграммы рис. 2 имеем, что

Ё; и - .

Таким образом, замерив углы сдвига фаз между результирующей э. д. с. в воздушном зазоре Ей и напряжением и и между Е,: и током нагрузки 1а, а также величины Ео , и и 1а, можно определить полное сопротивление обмотки статора, а следовательно, и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора х3.

Опытное определение параметров рассмотренным способом, проведенное для синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов, обеспечило достаточно высокую точность (порядка 2—5%) и может быть рекомендовано для экспериментальных исследований.

25. Зак. 4917.

385

ЛИТЕРАТУРА

1. М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. Электрические машины. Ч. II, Госэнергоиздат, 1958.

2. А. А. Горе в а. Переходные процессы синхронной машины. Госэнергоиздат, 1950.

3. А. И. Бертинов, В. Г. Андреев. Определение параметров магнитоэлектрических генераторов с ротором типа «звездочка». Сб. статей, труды' МАИ, вып. 133, Оборонгиз, 1961.

4. Т. П. Губенко, В. Т. Губенко. Векторные диаграммы и построение статических характеристик синхронных машин. «Энергия», 1966.

5. Р. Рихтер. «Электрические машины». II том, ОНТИ, 1936.

6. В. А. Шереметьев. Методы измерения и регистрации угла выбега ротора синхронных машин. Львов, 1957.