Раздел 3. Машины переменного тока

Тема 3.1. Синхронные машины переменного тока

3.1.1. Назначение, принцип действия и устройство синхронных машин переменного тока

Синхронные машины – это бесколлекторные машины переменного тока, имеющие синхронную частоту вращения ротора, т. е. у них частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора. В промышленности и на железнодорожном транспорте синхронные машины используют в основном как генераторы; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на тепловозах, автомобилях, самолётах. В первом случае мощностью до 1200 МВт, во втором – до 4400 кВт. В зависимости от типа привода различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы. Синхронные машины также используются и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для приводов насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов.

Работа синхронной машины основана на явлении электромагнитной индукции и заключается в преобразовании механической энергии в электрическую энергию переменного тока (генераторы) или электрической энергии переменного тока в механическую (двигатели), т. е. синхронная машина обладает обратимостью.

Синхронная машина состоит из неподвижной части – статора, в пазах которого расположена многофазная (как правило, трёхфазная) обмотка и вращающейся части – ротора с обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока (возбудителя) через контактные кольца и щётки. Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U1 и частотой f1 проходящий по обмотке ток создаёт вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n1 = 60×f1/p.

В результате взаимодействия этого поля с током возбуждения Iв, проходящим по обмотке ротора, создаётся электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме – тормозным. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения n1 = n2, где n2 - частота вращения ротора. Таким образом, в установившемся режиме ротор машины постоянного тока вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля.

В синхронных машинах применяют две различные конструкции ротора: явнополюсную – с явновыраженными полюсами (обмотка возбуждения выполнена в виде прямоугольных катушек размещённых на полюсах и закреплённых полюсными наконечниками) и неявнополюсную – с неявновыраженными полюсами (обмотка возбуждения расположена в пазах, выфрезерованных на цилиндрической поверхности ротора и укреплена металлическими клиньями) (рис. 35).

Рис. 35. Ротор синхронных неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) машин: 1 – сердечник ротора; 2 – обмотка возбуждения.

Явнополюсную конструкцию применяют в сравнительно тихоходных машинах, приводимых во вращение от дизеля или гидравлических турбин. У явнополюсных машин в специальных пазах полюсных наконечников укладывают успокоительную (демпферную) обмотку. Неявнополюсную конструкцию применяют в быстроходных машинах, приводимых во вращение от паровых или газовых турбин.

В маломощных машинах в ряде случаев возникают затруднения с размещением обмотки возбуждения на роторе и тогда её размещают на статоре, а обмотку, с которой снимают напряжение (трёхфазную или однофазную) располагают на роторе.

Тяговые генераторы на подвижном составе выполняют явнополюсными с горизонтальным валом, сочленённым с коленчатым валом дизеля. На тепловозах с системой переменно-постоянного тока синхронные генераторы работают на выпрямительных установках, питающих тяговые двигатели постоянного тока. Для уменьшения пульсаций используют 12-ти пульсовую систему выпрямления тока. Тяговые синхронные генераторы превосходят генераторы постоянного тока по массогабаритам в 1,5 раза и кроме того вес выпрямительной установки составляет 650 кг, что примерно в 2 раза больше, чем у генераторов постоянного тока.