Синхронные машины. Принцип работы. Явнополюсные и неявнополюсные машины.

Синхронные машины это такие машины переменного тока, в которых частота движения ротора равно частоте тока в статоре. А, следовательно, определяется частотой питающей сети. Для производства электричество чаще всего используют синхронные генераторы. А синхронные двигатели отличаются тем, что у них скорость вращения постоянна и не зависит от нагрузки.

Все синхронные машины в принципе имеют одинаковую конструкцию. Они состоят из неподвижной части, которую называют статором. Он представляет собой корпус внутри, которого закреплён сердечник. Сердечник имеет цилиндрическую форму и набирается из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. В сердечнике с внутренней стороны имеются пазы, в которые уложена обмотка статора. Сердечник вместе с обмоткой называется якорем.

Внутри статора находится ротор, представляющий собой цилиндрической формы сердечник из сплошной стали который находится на валу. На сердечнике ротора намотана обмотка возбуждения, которая запитывается постоянным током потому нет необходимости делать сердечник ротора из шихтованной стали. Так как магнитный поток ротора постоянный.

Ток к ротору подводится через скользящие контакты в виде колец находящихся на валу, к которым прижаты графитовые щетки. Кольца изолированы друг от друга и от вала. А к ним подключены концы обмотки возбуждения. Сердечник ротора с обмоткой возбуждения называются индуктором.

Обмотка возбуждения размещается на роторе, так как ток возбуждения имеет малую величину по сравнению с током якоря. Иногда синхронные машины выполняют и наоборот. Это когда индуктор находится на статоре, а якорь на роторе. Ток возбуждения подводится к статору, а якорный ток, например для двигателя подводится к ротору.

Все синхронные машины можно разделить на два вида. Первый из них это синхронные машины, у которых ротор выполнен с неявно выряженными полюсами. Неявно выраженные полюса это когда обмотка ротора равномерно уложена в пазы сердечника. Не имея при этом явно выраженных полюсов. Это, как правило, высоко оборотистые машины. Так как на высокой скорости вращения ротор с явно выраженными полюсами будет испытывать высокие динамические нагрузки.

Синхронные машины с явно выряженными полюсами применяют на низких частотах вращения. Это, как правило, гидрогенераторы. Поскольку ротор вращается под напором столба воды, а создать на реке большой перепад воды достаточно сложно.

На роторе явно полюсной машины отчетливо выделяются магнитные полюса, на которые укладывается обмотка возбуждения.

Рассмотрим принцип действия синхронной машины на примере генератора переменного тока. К индуктору генератора подводится постоянный ток от внешнего источника тока. Этот ток создает основной магнитный поток, который пронизывает обмотки якоря. Обмотки якоря имеют одинаковое число витков и уложены друг относительно друга со смещением в 120 градусов.

При вращении ротора в обмотках статора наводится эдс вследствие электромагнитной индукции. Чтобы ток в обмотках якоря изменялся по синусоидальному закону, в явно полюсных машинах применяют полюсные наконечники особой формы. То есть воздушный зазор между полюсным наконечником и якорем не однородный, а изменяется с движением от середины к краю. Таким образом, магнитное поле в зазоре будет изменяться по закону близкому к синусоидальному.

В неявнополюсных машинах для получения формы тока близкой к синусоидальной используют неоднородное распределение обмотки возбуждения в пазах индуктора.

Когда синхронная машина работает в режиме электродвигателя, трех фазное напряжение подается на якорь. При этом обмотка индуктора замыкается накоротко, что обеспечивает асинхронный режим пуска синхронной машины. После разгона на индуктор подается постоянный ток, и машина входит в синхронизм.

Синхронные машины — двигатели, генераторы и компенсаторы

Синхронная машина может работать генератором или двигателем. Синхронная машина может работать в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения.

Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Синхронный двигатель отличается от синхронного генератора лишь пусковой успокоительной обмоткой, которая должна обеспечивать хорошие пусковые свойства двигателя.

Схема шестиполюсного синхронного генератора. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник.

Режим генератора: двигатель (турбина) вращает ротор, на обмотку которого подается постоянное напряжение ? возникает ток, который создает постоянное магнитное поле. Магнитное поле вращается вместе с ротором, пересекает статорные обмотки и наводит в них одинаковые по модулю и частоте ЭДС, но сдвинутые на 1200 (симметричная трехфазная система).

Режим двигателя: обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент Мвр, который приводит ротор во вращение со скоростью магнитного поля.

Механическая характеристика синхронного двигателя – зависимость n(M)– представляет собой горизонтальный отрезок прямой.

Применение синхронных двигателей

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosфи = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U 2 .

Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При эксплуатации синхронных двигателей возникли существенные трудности с их пуском. В настоящее время эти трудности преодолены.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при больших мощностях их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.

В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Нов-электро

Профессиональный сайт для энергетиков

Конструкция синхронной машины

Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1, а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3—2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Конструкция синхронных машины небольшой мощности выполняется как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. В обращенной синхронной машине с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1, б) нагрузка подключается к обмотке якоря посредством трех колец.

Рис. 1. Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем:

1 – якорь; 2 – обмотка якоря; 3 – полюсы индуктора; 4 – обмотка возбуждения; 5 – кольца и щетки.

Рис. 2. Конструкция роторов синхронных машин.

а) неявнополюсная; б) явнополюсная.

1 — сердечник ротора; 2 — обмотка возбуждения.

В конструкции ротора синхронных машин различают два вида: неявнополюсный — с неявновыраженными полюсами (рис. 2, а) и явнополюсную — с явновыраженными полюсами (рис. 2, б).

Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.

Конструкция явнополюсного ротора, обычно применяется в машинах с четырьмя полюсами и более. Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.

Рис. 3. Устройство явнополюсной машины: 1 — корпус; 2 — сердечник статора; 3— обмотка статора; 4 — ротор; 5 — вентилятор; 6 — выводы обмоток; 7 —контактные кольца; 8 — щетки; 9 – возбудитель

Рис. 4. Устройство пусковой обмотки в синхронных двигателях:

1 — полюсы ротора; 2 — короткозамыкающие кольца; 3 — стержни «беличьей клетки»; 4 — полюсные наконечники

В синхронной машине (рис. 3) сердечник статора собирают из изолированных листов электротехнической стали и на нем располагают трехфазную обмотку якоря. На роторе размещают обмотку возбуждения. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей с явно-полюсным ротором размещают стержни пусковой обмотки (рис. 4), выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то при пуске и переходных режимах в них возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкнутой обмотке.

§87. Устройство синхронной машины

Конструктивная схема машины. В зависимости от расположения якоря синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой и средней мощности (рис. 285) выполняют с неподвижным якорем для удобства отвода электрической энергии от обмотки якоря или ее подвода к ней. Поскольку мощность возбуждения невелика, подвод постоянного тока к расположенной на роторе обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. В синхронных машинах с неподвижным якорем якорь 3 выполнен так же, как и статор асинхронной машины. На нем имеются пазы, в которых уложена трехфазная обмотка. Сердечник якоря запрессован в остов 2, для крепления машины на остове имеются лапы 6. Возможно также крепление с помощью фланца или другими способами. На валу ротора 4 установлен вентилятор 5, обеспечивающий охлаждение машины. Возбуждение синхронной машины осуществляется в данном случае от возбудителя 1.

Конструкция ротора. В машинах с неподвижным якорем применяют две различные конструкции ротора: явнополюсную (рис. 286, а) и неявнополюсную (рис. 286,б). Явнополюсный (с явновыраженными полюсами) ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек 2 прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках 3 полюсов и укрепляют полюсными наконечниками 1.Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой

Рис. 285. Общий вид синхронной машины с возбудителем

Рис. 286. Расположение обмотки возбуждения на роторе синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) машины

стали. Двухполюсные и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, выполняют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно, так как не обеспечивается необходимая механическая прочность крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения 2 в такой машине размещается в пазах сердечника 5 ротора, изготовленного из массивной стальной поковки, и укрепляется в них немагнитными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят стальными массивными бандажами. Примерно 1/3 каждого полюсного деления ротора не имеет пазов; эти части образуют так называемые «большие зубцы» 4, через которые входит и выходит поток возбуждения.

По своему назначению синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы и синхронные двигатели. Назначение машины в значительной степени определяет и ее конструкцию. Турбогенераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Для получения стандартной частоты 50 Гц они должны иметь при двух полюсах частоту вращения 3000 об/мин, а при четырех полюсах—1500 об/мин. Гидрогенераторы приводятся во вращение тихоходными турбинами, частота вращения которых составляет несколько десятков или сотен оборотов в минуту, поэтому они выполняются с большим числом полюсов (16—96) и имеют явнополюсные роторы. Дизель-генераторы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, и синхронные двигатели небольшой и средней мощности выполняют обычно явнополюсными, мощные же двигатели — неявнополюсными.

Дизель-генераторы и синхронные двигатели выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (рис. 287, а). В дизель-генераторе обычно имеется один подшипник; в качестве второй опоры ротора используется подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединяется с валом ротора генератора. В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках (рис. 287, 6) размещаются стержни беличьей клетки, выполненной из меди или латуни. С торцовых сторон ротора стержни соединяются с короткозамыкающими кольцами. В генераторах эту клетку называют демпферной обмоткой; она обеспечивает

Рис. 287. Роторы дизель-генератора: 1 — вал; 2 — обмотка возбуждения; 3 — полюс ротора; 4 — стержни беличьей клетки; 5 — короткозамыкающие кольца

быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при резких изменениях режима работы машины. В синхронных двигателях беличья клетка служит в качестве пусковой обмотки.