4. Синхронные машины

Общая характеристика

Синхронные машины (СМ) - это машины переменного тока. Они могут работать как двигатели или генераторы в зависимости от момента на валу. Они имеют следующие основные особенности:

1) Их частота вращения постоянна и равна частоте вращения магнитного поля асинхронных двигателей (см. п. 2):

(об/мин), (4.1)

где f – частота напряжения сети, к которой подключена СМ, р – число пар полюсов СМ, 60 - число секунд в минуте.

Исключение составляют синхронные генераторы (СГ), работающие автономно, без параллельного подключения к другим источникам переменного напряжения (например, генераторы, питающие бортовые сети автомобилей). Частота вращения таких СГ определяется частотой вращения первичных двигателей, но она также связана с частотой напряжения формулой (4.1).

2) Сдвиг фаз между напряжением и током СМ можно регулировать, изменяя ток возбуждения. Это очень ценное качество позволяет использовать СМ не только по прямому назначению, но еще и для компенсации реактивного тока потребителей электроэнергии (для повышения cos, см. п. 14).

Назначение

СГ вырабатывают электроэнергию на электростанциях - это самая важная область применения СМ. В последнее время СГ малой мощности используют для питания бортовых сетей транспортных средств, так как они проще, дешевле и надежнее, чем генераторы постоянного тока. При этом постоянное напряжение, нужное для бортовой сети, получают из синусоидального напряжения генератора с помощью выпрямителя. СГ используют также в передвижных дизельных электростанциях.

По сравнению с асинхронными двигателями синхронные двигатели (СД) обладают меньшими габаритами и массой и большим к.п.д.

Однако, для питания обмотки возбуждения им нужен дополнительный источник постоянного напряжения. Конструкция и пуск СД сложнее, чем у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Пусковой момент СД меньше, чем у асинхронного двигателя с фазным ротором.

Поэтому СД в основном применяются в очень мощных электроприводах с редкими пусками. СД используют также там, где нужна строго постоянная частота вращения. Иногда мощные СД применяют только как компенсаторы реактивного тока, без нагрузки на валу.

Устройство

Рис. 4.1. СМ с неявно- полюсным ротором в разрезе (схематический рисунок).

Статор СМ устроен так же, как статор асинхронного двигателя (рис. 4.1). Сердечник статора - это пустотелый стальной цилиндр.

Для подавления вихревых токов он набран из отдельных колец листовой электротехнической стали. На его внутренней поверхности имеются пазы, в которых уложена трехфазная обмотка из медного провода.

Ротор СМ - это электромагнит, обмотки которого питаются постоянным током возбуждения через контактные кольца и щетки. У маломощных СМ в качестве роторов используют постоянные магниты. Ротор реактивного СД - это просто зубчатый стальной цилиндр.

Ротор СМ имеет столько же пар полюсов, сколько статор. Роторы СМ бывают явнополюсными и неявнополюсными. У явнополюсных роторов каждый полюс выполняется отдельно и имеет свою обмотку, у неявнополюсных полюса образуются за счет распределения обмотки в пазах цилиндрического сердечника.

Сердечники роторов также набираются из отдельных стальных пластин, но более толстых, чем пластины статора, так как магнитное поле в роторе изменяется мало. Обмотки роторов делают из медного провода.

СМ делают так, чтобы магнитное поле вдоль зазора машины было синусоидальным. При этом вдоль зазора укладывается р периодов поля, где р - число пар полюсов машины (рис. 4.3).

Рис. 4.2. Сдвиг между осями магнитных полей ротора и статора СМ на угол .

Принцип действия

Разноименные полюса магнитов притягиваются - это явление создает вращающий момент СД или момент сопротивления СГ. Полюса ротора притягиваются к вращающимся полюсам статора, поэтому ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора (синхронно, отсюда и название машины).

Вращающееся магнитное поле ротора наводит в неподвижной трехфазной обмотке статора синусоидальные э.д.с., которые создают трехфазное напряжение СГ или компенсируют часть трехфазного напряжения питания СД.

Э.д.с., наводимую в одной фазе статора полем ротора, мы обозначим . Согласно закону электромагнитной индукции, пропорциональна магнитному полю ротора и частоте его вращения. В свою очередь, поле ротора пропорционально току возбуждения, поэтому:

, (4.2)

где k - коэффициент, зависящий от конструкции машины, n - частота вращения, - ток возбуждения.

Если момент на валу машины равен нулю, то полюса ротора располагаются точно напротив полюсов поля статора.

Если на валу действует внешний вращающий (у СГ) или внешний тормозной (у СД) момент, то полюса ротора сдвигаются относительно полюсов статора на угол , где р - число пар полюсов СМ,  - сдвиг фаз между напряжением фазы статора и э.д.с. фазы статора .

При этом получается, что у генератора ротор повернут относительно поля статора в сторону вращения (ротор как бы тащит за собой поле статора, совершая над ним работу), а у двигателя - противоположно вращению (поле статора приводит в движение ротор).

Магнитное поле ротора - это основное поле машины, оно еще называется полем возбуждения, оно создается током возбуждения обмотки ротора. Магнитное поле статора складывается из поля ротора и поля, создаваемого током обмотки статора.

Дополнительные пояснения.

Рис. 4.3. Изменение магнитного поля вдоль зазора СМ с двумя парами полюсов.

Рассмотрим подробнее сказанное про угол . Все рассуждения будем вести относительно одной фазы трехфазной обмотки статора. Обозначим через э.д.с., наводимую в фазе обмотке статора вращающимся полем статора.

Если пренебречь малым активным сопротивлением фазы обмотки статора, то согласно закону электромагнитной индукции, . Поэтому сдвиг фаз  между и - это сдвиг фаз между и . Но сдвиг фаз между и равен сдвигу фаз между волнами магнитного поля ротора и магнитного поля статора, бегущими вдоль зазора машины, потому что эти э.д.с. возникают вследствие движения магнитных полей. Так как один период изменения магнитного поля вдоль зазора занимает пространственный угол , то фазовому сдвигу синусоид  соответствует пространственный угол сдвига осей магнитных полей ротора и статора (рис. 4.3).

Схема замещения фазы обмотки статора

Рис. 4.4. Схема замещения фазы обмотки статора СМ.

Перечислим параметры, которые описывают основные процессы, происходящие в фазе обмотки статора. Активное сопротивление фазы статора намного меньше реактивного, поэтому мы его учитывать не будем.

К фазе обмотки статора приложено напряжение . Магнитное поле ротора наводит в ней э.д.с. . По фазе обмотки течет ток . Фаза обладает активным сопротивлением r и реактивным сопротивлением jx, которое обусловлено магнитными потоками рассеивания статора.

Схема замещения фазы обмотки статора, отражающая связь указанных параметров, показана на рис. 4.4. Направление стрелки тока выбрано так, чтобы это было удобно для исследования генераторного режима.

Согласно схеме, уравнение фазы обмотки статора имеет вид:

. (4.3)

Угловая характеристика

Зависимость момента на валу от угла  называется угловой характеристикой машины. Можно показать, что она приближенно выражается формулой

, (4.4)

где М - вращающий момент машины, k_M = 28,6 k, - коэффициент, зависящий от конструкции машины, - ток фазы статора, - ток возбуждения.

Рис. 4.5. Угловые характеристики СГ.

Поэтому графики угловых характеристик генератора для фиксированных значений напряжения и тока статора и для различных значений тока возбуждения имеют вид, показанный на рис. 4.5.

При работе СМ необходимо, чтобы момент на валу был меньше, чем максимально возможный момент для данного тока возбуждения.

Если это условие не соблюдается, то случается авария - СМ "выпадает из синхронизма". При этом частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля статора, момент на валу машины пульсирует, а его среднее значение становится близким к нулю. Это может привести к тяжелым последствиям.

Чтобы избежать этой аварии, нужно задавать такой ток возбуждения, который обеспечивал бы некоторый запас момента. Модуль угла  должен быть заведомо меньше .

Дополнительные пояснения. Уравнение угловой характеристики можно вывести так. Активная генерируемая мощность фазы машины равна , где черта наверху означает комплексное сопряжение.

Из уравнения фазы выразим ток и подставим это выражение в формулу для мощности, получим:

.

Но - действительное число, поэтому мнимая часть его равна нулю.

Учитывая, что , из последней формулы получим:

.

Здесь нужно учесть, что для генератора сам угол  принимает отрицательные значения (это фаза напряжения минус фаза э.д.с., см. рис. 4.6), поэтому генерируемая мощность получается положительной.

Потребляемая механическая мощность на валу равна , где М - вращающий момент машины (для генератора М < 0),  - угловая скорость ротора.

Пренебрегая потерями энергии в машине, приравняем механическую и электрическую мощности, получим: (здесь 3 - число фаз машины).

Учитывая, что , формулу для момента можно выразить через частоту вращения n: . Подставив сюда , получим: .

Заметим, что отношение равно току фазы статора . Окончательно имеем:

Перевозбуждение СГ.  > 0.

 = 0

Недовозбуждение СГ.  < 0. Рис. 4.6.

.

Обозначив 28,6k = k_M, получим приведенную выше формулу.

U - образная характеристика

В соответствии со схемой замещения фазы машины и с уравнением (4.3) нарисуем векторные диаграммы генератора. Пусть действующее значение напряжения сети, к которой подключен СГ, постоянно. Выберем начальную фазу напряжения равной нулю. Рассмотрим различные состояния генератора для одинаковых значений активной генерируемой мощности.

Так как , , то . Поэтому во всех случаях конец вектора будет лежать на вертикальной пунктирной прямой (рис 4.6). Напряжение , обусловленное магнитными потоками рассеивания, будет опережать по фазе ток на угол ; соответствующий вектор будет повернут относительно тока на угол , а его конец будет лежать на горизонтальной пунктирной прямой.

Рис. 4.7. U-образные характеристики для различных значений активной мощности СГ.

Векторные диаграммы рис. 4.6 показывают, что при различных значениях э.д.с. Е₀ получаются различные углы сдвига фаз  между напряжением и током СМ. Э.д.с. Е₀ пропорциональна току возбуждения (см. уравнение 4.2). Поэтому угол  и ток статора I зависят от тока возбуждения. Эту зависимость называют U-образной характеристикой и изображают в виде, показанном на рис. 4.7.

Большим значениям мощности соответствуют большие значения тока возбуждения, необходимые для обеспечения устойчивости СМ, то есть для удержания угла  в пределах . Граница области устойчивости показана рис. 4.7 слева пунктиром.

Возможность регулировки сдвига фаз между напряжением и током СМ является очень ценным качеством, позволяющим компенсировать реактивный ток нагрузки (см. п. 16) и сократить потери энергии в линиях электропередач. Иногда перевозбужденные СД используют только как компенсаторы реактивной мощности, без нагрузки на валу.

СД имеют такие же угловые и U-образные характеристики, как и СГ. Различие состоит в знаке угла . Вследствие этого перевозбуждению СД соответствует  < 0, а недовозбуждению  > 0. Следует также учесть, что генератор отдает, а двигатель потребляет электромагнитную мощность, поэтому все приведенные выше рассуждения будут справедливы и применительно к двигателю, если изменить знак мощности, направление стрелки тока на схеме (4.4) и знак перед слагаемым jx в уравнении (4.3).

Подключение синхронного генератора параллельно сети

Несколько СГ могут работать параллельно на общую нагрузку. Так работают генераторы на электростанциях. Чтобы подключить генератор к сети, вначале его нужно раскрутить до скорости, близкой к синхронной. Затем надо установить такой ток возбуждения, чтобы действующее значение напряжения СГ было равно напряжению сети. После этого, отслеживая с помощью вольтметра разность мгновенных значений напряжения сети и генератора, нужно подключить генератор в момент, когда эта разность будет равна нулю. После этого можно увеличить момент на валу генератора и регулировать ток возбуждения, генератор начнет отдавать мощность в сеть.

Пуск синхронного двигателя

Чтобы пустить в ход СД, его нужно вначале раскрутить до скорости, близкой к синхронной. Это делают либо с помощью вспомогательного двигателя, либо с помощью специальной короткозамкнутой пусковой обмотки, находящейся на роторе самого СД. Благодаря этой обмотке во время пуска СД работает как асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (асинхронный пуск). После разгона с помощью пусковой обмотки надо включить ток возбуждения, при этом двигатель втянется в синхронизм и перейдет в свой основной рабочий режим. Нагрузку на валу СД во время пуска нужно максимально снизить (если есть такая возможность).

Регулировка активной мощности СМ

Так как скорость вращения СМ при подключении их к промышленной сети постоянна, то их активная мощность пропорциональна моменту на валу. В режиме СГ момент зависит от работы первичного двигателя, вращающего СГ, в режиме СД момент зависит от нагрузки СД.

Активная мощность автономных СГ определяется скоростью вращения и моментом на валу.

СМ малой мощности

Недостатком рассмотренной конструкции синхронной машины является наличие подвижных контактов и необходимость дополнительного источника постоянного тока для питания обмотки ротора. Машины малой мощности свободны от этих проблем.

В СМ малой мощности ротором служит постоянный магнит. Пуск такого двигателя в ход осуществляется обычно непосредственным подключением его фазных обмоток статора к электрической системе. Для возникновения асинхронного момента при пуске двигателя в парах полюсов постоянного магнита располагаются стержни короткозамкнутой обмотки.

Другой разновидностью синхронных машин малой мощности являются так называемые синхронные реактивные двигатели. Их особенность заключается в том, что ротор имеет магнитную анизотропию, т. е. различное магнитное сопротивление в различных радиальных направлениях. Ротором может быть зубчатый цилиндр из пластин электротехнической стали или пакет стальных пластин, закрепленный в цилиндрической алюминиевой отливке. Отливка одновременно служит короткозамкнутой пусковой обмоткой.

Общим недостатком синхронных машин малой мощности является отсутствие возможности регулировать реактивную мощность и запас устойчивости.