3.1. Устройство синхронной машины

Синхронные машины независимо от назначения их использования состоят из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Ротор и статор разделены воздушным зазором.

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя и содержит шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых располагаются фазы трехфазной обмотки статора (рис 15, а). Концы обмотки статора выведены на клеммную панель.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который образует магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. На роторе располагается обмотка возбуждения, концы которой через специальные кольца на роторе и неподвижные графитовые щетки подсоединены к источнику постоянного тока, называемому возбудителем [2].

Роторы синхронной машины бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис 9, б) применяются в сравнительно тихоходных машинах, число оборотов которых не превышает 1000 об/мин.

а б

Рис. 15. Двигатель синхронный: а – статор; б – ротор

Такие роторы, например, приводятся в действие тихоходными водяными турбинами ГЭС. На полюсах такого ротора размещаются катушки обмотки возбуждения. У синхронных двигателей с таким ротором витки пусковой короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» закладываются в тело полюсов и по торцам замыкаются кольцами.

Ротор с неявно выраженными полюсами обладает повышенной динамической прочностью, так как выполняется из цельной стальной поковки цилиндрической формы (рис 16). На внешней поверхности поковки фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Рис. 16. Ротор неявнополюсный. Вид общий

Синхронные машины проектируют и изготовляют так, чтобы количество полюсов магнитного поля ротора и поля, создаваемого обмоткой статора, было одинаковым.

3.2. Принцип действия синхронных машин

Принцип действия генератора. На обмотку ротора подается постоянный ток от возбудителя. Образуется постоянное магнитное поле ротора с полюсами N₀ и S₀. При проектировании синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы распределение индукции этого поля В в воздушном зазоре между ротором и статором по возможности приближалось к синусоидальному закону. Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения приводится во вращение с постоянной частотой n₀ приводным двигателем (ПД), создающим вращающий момент М_пдв (рис. 17)

Рис. 17. Двигатель синхронный. Схема включения

При этом вращающееся магнитное поле ротора поочередно пересекает проводники фазных обмоток статора А–Х, В–У, С–Z и по закону электромагнитной индукции наводит в них переменные ЭДС.

Наведенная ЭДС в одном проводнике фазы определяется по известной зависимости

е = Blv,

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре; l – активная длина проводника в пазу статора; v – линейная скорость пересечения проводника магнитным полем.

С учетом того, что индукция В в воздушном зазоре распределяется по синусоидальному закону, т. е B = B_msin α, где α = ωt – угол, отсчитываемый от нейтральной линии при вращении ротора с угловой частотой ω, ЭДС, наводимая в одном проводнике, также будет изменяться по синусоидальному закону:

е = Вlv = B_mlvsin α = B_mlvsin ωt = E_msin ωt.

Если в каждой фазе обмотки статора имеется w витков, то дей^{ствующее значение ЭДС фазы определяется выражением:}

E = 4,44кfwФ_0m,

где к - обмоточный коэффициент; f = pn₀ / 60 — синусоидальных ЭДС; р – число пар полюсов ротора; значение магнитного потока полюса ротора.

Поскольку катушки отдельных фаз обмотки статора А – X, В – У, С – Z имеют одинаковое число витков и сдвинуты в пространстве по окружности статора симметрично, т. е. на угол 120°, то и ЭДС каждой фазы будут иметь одинаковые амплитуды и оказываются сдвинутыми во времени друг относительно друга на электрический угол в 120° (рис 18).

Рис. 18. Двигатель синхронный: а - схема расположения фаз обмотки статора; б - диаграмма наведенных ЭДС

При переходе генератора в режим работы с нагрузкой (на рис 17 нагрузка сопротивлением Z_H подключается выключателем Q) по фазам обмотки статора потекут токи, которые создадут вращающееся магнитное поле статора. Ось полюсов статора N - S будет отставать от оси полюсов N₀ – S₀ первичного магнитного поля ротора на угол рассогласования Θ (рис. 19 ). В результате взаимо­действия разноименных отстающих полюсов статора и опережающих полюсов ротора на ротор будет действовать момент, направленный против его вращения, т.е. тормозной момент М_т. В установившемся режиме тормозной момент уравновешивает вращающий момент приводного двигателя: М_т = М _{п дв}

Рис. 19. Генератор синхронный. Схема функциональная

Принцип действия двигателя. Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных магнитных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Вращающееся магнитное поле статора с полюсами N и S образуется при питании фаз обмотки статора тремя токами от трехфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя. На рис. 20 показаны полюсы магнитного поля статора, которые вращаются против хода часовой стрелки с постоянной частотой n₀.

Рис. 20. Двигатель синхронный. Схема функциональная

Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора. Допустим, что ротор также получил частоту вращения n₀ в том же направлении, что и поле статора. Тогда, очевидно, полюсы ротора N₀ и S₀ «сцепляются» магнитными силами F с разноименными полюсами статора S и N и дальнейшее вращение ротора и магнитного поля статора будет происходить с одинаковыми скоростями, т. е. синхронно.

Если на ротор не действует никакая нагрузка, т. е. момент сопротивления на роторе М_с = 0, то оси магнитных полей статора и ротора совпадают.

Если же двигатель работает под нагрузкой и на роторе имеется момент сопротивления М_с ≠ 0 от какого-либо механизма, то ось полюсов ротора сместится от оси полюсов статора в сторону отставания на какой-то угол Θ (рис. 20). Таким образом, магнитное поле статора как бы «ведет» за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие F_T магнитных сил F удерживают поля ротора и статора и создают вращающий момент М, зависящий от угла рассогласования Θ :

М = 2F_TR = 2FRsin Θ,

где R – радиус ротора.