4.2. Синхронды машиналар

Синхронды машиналар көбінесе генератор ретінде пайдаланылады. Синхронды электр қозғалтқыштары асинхронды қозғалтқыштарға қарағанда сирек қолданылады, олар тек берілген қуат пен жұмыс режимінде тиімді болғанда ғана қолданылады.

Машина роторының жылдамдығы статордың орамасындағы ток тудыратын айналмалы магнит ағыны жылдамдығымен бірдей болады, яғни ротордың айналуы және магнит ағынының өзгеруі синхронды болады, сол себепті бұл машинаны синхронды теп атайды.

Синхронды машина асинхронды машина сияқты қозғалмайтын статордан және қозғалатын ротордан тұрады. Статордың үшфазалы асинхронды қозғалтқыштың статорынан айырмашылығы жоқ. Ротор айналатын электрмагнит түрінде болады, оның орамалары тұрақты токпен қоректендіріледі.

Құрылыс жағдайында жетегі іштен жану қозғалтқышынан болатын синхронды генераторлар жылжымалы электрлік станциялар үшін қолданылады.

Синхронды қозғалтқыштардың механикалық сипаттамасы абсолютті қатаң болады, яғни айналу жылдамдығы тұрақты болады. Өндірісте және құрылыста бұл қозғалтқыштар компрессорлық және сораптық қондырғылардың жетектері үшін, сонымен қатар тас ұнтақтау мен экскаваторлардың жетегі үшін қолданылады.

4.3.Асинхронды электр жетегінің қарапайым моделдері

Асинхронды машинаның жалпы түрдегі жұмыс істеу принципі мынадай: машина элементтерінің бірі – статор белгілі бір жылдамдықпен қозғалатын магнит өрісін тудыру үшін қолданылады, ал басқа элементтің тұйықталған өткізгіш контурларында – роторда магнит өрісімен әсерлескенде күштердің (моменттердің) пайда болуын және токтардың жүруін тудыратын ЭҚК пайда болады. Бұл құбылыстар өріске қатысты ротордың синхронды емес – асинхронды қозғалысы кезінде болады, сол себепті машиналардың бұл түрін – асинхронды деп атайды.

Статор әдетте бірнеше паздарда орналасқан катушкалар түрінде орындалады, ал ротор – «ақ тиін торы» (қысқаша тұйықталған ротор) түрінде немесе бірнеше катушкалар (фазалық ротор) түрінде (катушкалар бір-бірімен жалғанған және білікте орналасқан сақиналарға шығарылып, олар арқылы сырғитын щеткалардың көмегімен сыртқы резисторларға тұйықталған) орындалады.

Құрылымдық және физикалық құбылыстардың қарапайымдылығына қарамастан асинхронды машинадағы процестердің толық математикалық сипаттамасы күрделі болады:

біріншіден, барлық кернеулер, токтар, ағын ілінісі – айнымалы шамалар, олар жиілікпен, амплитудамен, фазамен немесе сәйкес векторлық шамалармен сипатталады;

екіншіден, қозғалатын контурлар әсерлеседі, олардың кеңістікте өзара орналасуы өзгереді;

үшіншіден, магнит ағыны магниттеу тогымен бейсызықты байланысқан (магниттік тізбек қанығады), ротор тізбегінің активті кедергілері жиілікке тәуелді (токты ығыстыру эффектісі), барлық тізбектердің кедергілері температураға тәуелді және т.с.с.

Асинхронды электр жетегіндегі негізгі құбылыстарды түсіндіру үшін асинхронды машинаның қарапайым моделі қарастырылады.

4.3.1. Айналатын магнит өрісін алу принципі

Статорда айнымалы ток i_A = I_msint, ( = 2f₁) өтетін орама (орауыш) А-Х (4.3а,б-сурет) орналассын. Осы токтан пайда болған магнит қозғаушы күш (МҚК) F_А орамының өсімен пульсацияланады (4.3в-суреттегі көлденең штрих жебелері).

F_А = F_msint

а) б) в)

г)

4.3-сурет. Машинадағы айналатын магнит өрісінің пайда болуы.

Егер 90⁰ бұрышпен орналасқан орамды (орауышты) BY қосса және ол арқылы i_B = I_mcost тоғын жіберсе, онда МҚК F_В осы орамның өсі бойынша пульсацияланады (тік жебелер):

F_В = F_mcost (4.3)

Нәтижелік ЭҚК-інің векторының модулі:

(4.4)

Оның  фазасы келесі шарттан анықталады

(4.5)

Сонымен, қабылданған шарттарда, яғни кеңістікте екі орамның бұрышына және уақыт бойынша -ге токтың ығысуы кезінде, нәтижелік МҚК-інің векторы бұрыштық жылдамдығымен айналады, мұндағы f₁ – орамдардағы ток жиілігі.

Жалпы алғанда, р полюстар жұбы (р=1,2,3...) бар машина үшін , (рад/с), синхронды бұрыштық жылдамдығы, яғни өрістің жылдамдығы, келесідей анықталады:

, (4.6)

n₀ айналу жиілігі, айн/мин:

, (4.7)

Яғни f₁=50Гц желіден қоректенгенде синхронды айналу жиілігі машинаның құрылымына байланысты 3000, 1500, 1000, 750, 600... айн/мин бола алады.

(4.1) және (4.2) өрнектердің принциптік сипаттамасы бар: олар берілген машина үшін өрістің жылдамдығын өзгертудің бір ғана мүмкіндігі барын көрсетеді және ол – f₁ қоректену көзінің жиілігін өзгерту.

4.3.2.  = ₀ кезіндегі процестер

Ротор ₀ жылдамдығымен айналсын, яғни оның орамалары магниттік өрістің күштік сызықтарын қимайды және процестерге елеулі әсер етпейді.

Жуықталған, бірақ кейде пайдалы жақындауда статор фазасының орамасын белгілі бір идеалды орауыш түрінде қарастыруға болады, ол орауышқа айнымалы кернеу берілген. Әрі қарай біз не бас әріптеріне сәйкес басқа да синусойдалы өзгеретін айнымалыларын белгілейміз, егер олардың әсер етуші мәндері керек болса, не жоғарыда нүктені қосумен, онымен біз амплитудасы және  фазасы бар уақыт бойынша өзгеретін вектор туралы айтылатынын көрсетеміз.

Берілген кернеуі өздік индукцияның ЭҚК-імен теңесетіні анық (4.4а,б-сурет):

, (4.8)

мұндағы w – ораманың орам саны; k_ор – ораманың нақты орындалуына байланысты коэффициент.

Магнит ағыны берілген кернеумен, жиілікпен және ораманың шама-шарттарымен анықталады деп санауға болады:

(4.9)

Статордың орамасындағы (фазадағы) ток – магниттелу тогы кезінде тек магнит ағынымен және машинаның магниттелу сипаттамасымен анықталады (4.4в-сурет):

а) б) в)

4.4-сурет.  = ₀ кезіндегі асинхронды машинаның идеалдандырылған моделі (а), векторлық диаграмма (б) және магниттелу қисығы (в).

Сериялық машиналарда U₁=U_1н және f₁=f_1н кезінде, яғни номиналды магнит ағыны кезінде бос жүріс тогы I₁₀ әдетте статордың I_1н номиналды тогының 30%-40%-ын құрайды.