§ 9.7. Синхронные машины

На современных электрических станциях механическая энергия превращается в электрическую почти исключительно синхронными генераторами.

В этих машинах статор устроен подобно статору асинхронной машины, а ротор, приводимый во вращение паровой или водяной турбиной, несет на себе обмотку возбуждения, обтекаемую постоянным током I, как у машин постоянного тока.

Рис.9-11. Схема синхронного генератора.

Создаваемый этим током магнитный поток возбуждения Ф_в вращается с неизменной частотой n и наводит в трехфазной обмотке статора э. д. с., величина которой определяется, как уже известно, формулой

.

Если зажимы обмотки статора замкнуть на сопротивление, то в фазах обмотки создаются три тока I_А, I_Б, I_С, а м. д. с. этих токов F_А, F_Б, и F_С суммируясь, как было выяснено ранее, образуют результирующую м. д. с. F. Эта м. д. с. создает поток статора или якоря Ф_я, вращающийся с одной частотой с ротором. По этому признаку шина называется синхронной.

В синхронной машине жестко связаны частота вращения n, частота тока статора и число пар полюсов р

.

При =50 Гц и р=1,2,3 частоты вращения ротора n₁=3000, 1500, 1000 об/мин. Синхронные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами при n = 3 000,

Рис.9-12. Общий вид ротора турбогенератора.

1500 об/мин, называются турбогенераторами. Генераторы, которые вращаются гидравлическими турбинами, называются гидрогенераторами. При использовании равнинных рек и водохранилищ гидравлические турбины тихоходны и для получения тока промышленной частоты =50 Гц число пар полюсов большое.

Рис.9-13. Ротор турбогенератора без обмотки и одна секция обмотки возбуждения.

На рис. 9-11 показаны статор и ротор явнополюсного генератора. В пазах статора 4 положена двухслойная обмотка. Четырехполюсный ротор с обмоткой возбуждения 1 приводится во вращение первичным двигателем (на схеме не показан). Ток возбуждения подводится к обмотке 1 при помощи контактных колец З через щетки 2 от специальной машины постоянного тока — воз6удителя.

Внешний вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рис. 9-12, а на рис. 9-13 поперечный разрез ротора без обмотки.

Характеристики: холостого хода генератора при , I=0 и внешняя при I_в=const, cosφ=const подобны таким же характеристикам генератора постоянного тока независимого возбуждения (рис. ). Однако процентное изменение напряжения

у синхронного генератор достигает величины (20—40)%U_н.

Дело в том, что поток реакции якоря Ф_я, показанный замыкающимся поперек полюса (рис.), как в машине постоянного тока, у синхронной машины при отстающем токе, т. е. при cosφ<1, замыкается частично вдоль полюсов встречно потоку Ф_в, Поэтому происходит сильное уменьшение результирующего потока и уменьшение ЭДС, а значит, и U.

а ) б)

Рис.9-14. Схема пуска Рис.9-15. Диаграмма работы синхронного

синхронного двигателя. двигателя с перевозбуждением.

Синхронная машина может работать и в режиме двигателя для привода механизмов, не создающих резких перегрузок, например, насосов и воздуходувок, с успехом заменяя асинхронные двигатели при мощностях в сотни и тысячи киловатт. При способности к перегрузке М_м/М_н=1,8÷2,5 синхронный двигатель обладает ценным свойством работать при cosφ, равном единице. На рис. 9-14 показана схема пуска синхронного двигателя. Кроме обмотки возбуждения 1, в полюсных наконечниках ротора заложена короткозамкнутая обметка 4, как у асинхронного двигателя. Перед пуском обмотка возбуждения 1 замыкается переключателем 2 на сопротивление 3. Статор 5 подключается рубильником 6 к питающей сети и вращающееся магнитное поле статора, наводя токи в короткозамкнутой обмотке ротора 4, разгоняет ротор, как у асинхронного двигателя до частоты вращения n₂≈n₁. Для того чтобы ротор начал вращаться с частотой n₁, т. е. синхронно, нужно установить в обмотке 1 постоянный ток. С этой целью перекидывают ножи переключателя 2 вниз, на зажимы возбудителя 7 и ротор автоматически входит в синхронизм, после чего двигатель можно нагружать.

Диаграмма работы двигателя показана на рис. 9-15. Вращающийся поток ротора Ф наводит в обмотке статора противо-э. д. с. Е₁. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки, считая , то напряжение сети (рис. 9-15, а). При холостом‚ ходе мощность очень мала и равна потерям холостого хода двигателя. Ток холостого хода активный и тоже мал, а cosφ_x при соответствующем возбуждении может быть равен единице. При росте нагрузки навалу ток увеличивается до значения I₁, оставаясь активным.

Если увеличивать ток возбуждения I_в (рис. 9-15, б), то поток Ф_в, растет и э. д. с. увеличивается до значения . Тогда в обмотке статора появляется дополнительный ток

.

Этот ток целиком реактивный, так как сопротивление обмотки статора . Ток I_р отстает от на угол ψ=90° (рис. 9-15, б) и опережает напряжение U₁

на 90°, а суммарный ток двигателя I_1с, опережает напряжение U₁ на угол φ₁.

Очень часто устанавливают режим синхронного компенсатора, когда двигатель работает без нагрузки на валу, но опережающим током I_1ск (рис. 9-15, б). Если такая машина включена в сеть с индуктивной нагрузкой, то она, работая как конденсатор, создает в сети условия, близкие к тем, когда получается резонанс токов. Синхронный компенсатор имеет преимущество перед статическим конденсатором в том, что величину опережающего тока можно менять, изменяя ток возбуждения.

При малых мощностях, не превышающих нескольких сот ватт, синхронные двигатели конструируются без обмотки возбуждения, называются реактивными синхронными двигателями и применяются для привода механизмов, требующих постоянной частоты вращения (звуковое кино, телемеханика).