Синхронні машини

Призначення. Синхронні машини використовують головним чином як джерел електричної енергії змінного струму; їх встановлюють на потужних теплових, гідравлічних і атомних електростанціях, а також на пересувних електростанціях і транспортних установках (тепловозах, автомобілях, літаках). Конструкція синхронного генератора визначається в основному типом приводу. Залежно від цього розрізняють турбогенератори, гідрогенератори і дизель-генератори. Турбогенератори приводяться в обертання паровими або газовими турбінами, гідрогенератори-гідротурбінами, дизель-генератори - двигунами внутрішнього згоряння. Синхронні машини широко використовують і як електродвигунів при потужності 100 кВт і вище для приводу насосів, компресорів, вентиляторів та інших механізмів, що працюють при постійній частоті обертання. Для генерування або споживання реактивної потужності з метою поліпшення коефіцієнта потужності мережі і регулювання її напруги застосовують синхронні компенсатори.

У електропобутових приладах (магнітофонах, програвачах, кіноапаратура) і системах управління широко застосовуються різні синхронні мікромашини з постійними магнітами, індукторні, реактивні, гістерезисні, крокові.

Принцип дії. Статор 1 синхронної машини (Мал. 2.6, а) виконаний так само, як і асинхронної: на ньому розташована трифазна (у загальному випадку багатофазна) обмотка 3. Обмотку ротора 4, яка живиться від джерела постійного струму, називають обмоткою збудження, так як вона створює в машині магнітний потік збудження.

Мал. 2.6

Електромагнітна схема синхронної машини (а) і схема її включення (б):

1 - статор, 2 - ротор, 3-обмотка якоря, 4 - обмотка збудження,

5 - контактні кільця, 6 – щітки

Обертову обмотку ротора з'єднують із зовнішнім джерелом постійного струму за допомогою контактних кілець 5 і щіток 6. При обертанні ротора 2 з певною частотою n2 потік порушення перетинає провідники обмотки статора і індукує у її фазах змінну е.. д. с. E (Мал. 2.6, б), що змінюється з частотою

f1 = pn2/60 (1.1)

Якщо обмотку статора підключити до будь-якої навантаженні, то протікає по цій обмотці багатофазних струм Ia створить обертове магнітне поле, частота обертання якого

n1 = 60f1 / p. (1.2)

З (1.1) і (1.2) випливає, що n1 = n2, тобто ротор обертається з тією ж частотою, що і магнітне поле статора. З цієї причини розглянуту машину називають синхронної. У такій машині результуючий магнітний потік Фрези створюється спільною дією м. д. с. обмотки збудження і обмотки статора і результуюче магнітне поле обертається в просторі з тією ж частотою, що і ротор.

У синхронній машині обмотку, в якій індукується е.. д. с. і протікає струм навантаження, називають обмоткою якоря, а частина машини, на якій розташована обмотка збудження, - індуктором. Отже, в машині, виконаної за конструктивною схемою, представленої на Мал. 2.6, статор є якорем, а ротор - індуктором. З точки зору принципу дії і теорії роботи машини байдуже, обертається якір або індуктор, тому в деяких випадках застосовують синхронні машини з зверненої конструктивною схемою: обмотка якоря, до якої підключена навантаження, розташована на роторі, а обмотка збудження, що живиться постійним струмом, - на статорі.

Синхронна машина може працювати автономно як генератор, який живить підключену до неї навантаження, або паралельно з мережею, до якої приєднані інші генератори. При роботі паралельно з мережею вона може віддавати або споживати електричну енергію, тобто працювати

Будова синхронної машини. Конструктивна схема машини. Синхронні машини виконують з нерухомим чи обертовим якорем. Машини великої потужності для зручності відведення електричної енергії зі статора або підведення її виконують з нерухомим якорем (Мал. 2.7, а)

Оскільки потужність збудження невелика в порівнянні з потужністю, що знімається з якоря (0,3-3%), підвід постійного струму до обмотки збудження за допомогою двох кілець не викликає особливих труднощів. Синхронні машини невеликої потужності виконують як з нерухомим, так і з обертовим якорем.

Мал. 2.7

Конструктивна схема синхронної машини

з нерухомим і обертовим якорем: 1 - якір, 2 - обмотка якоря, 3 - полюси індуктора, 4 - обмотка збудження, 5 - кільця та щітки

Синхронну, машину з обертовим якорем і нерухомим індуктором (Мал. 2.7, б) називають зверненої.

Мал. 2.8

Ротори синхронної явнополюсной (а) і неявнополюсной (6) машин:

1 - сердечник ротора, 2 - обмотка збудження

Конструкція ротора. У машині з нерухомим якорем застосовують дві конструкції ротора: явнополюсную - з явно вираженими полюсами (Мал. 2.8, а) і неявнополюсную - з неявно вираженими полюсами (Мал. 2.8, б). Явнополюсний ротор зазвичай використовують у машинах з чотирма і великим числом полюсів. Обмотку збудження виконують у цьому випадку у вигляді циліндричних котушок прямокутного перерізу, які розміщують на сердечниках полюсів і зміцнюють за допомогою полюсних наконечників. Ротор, сердечники полюсів і полюсні наконечники виготовляють зі сталі. Дво-та чотирьохполюсних машини великої потужності, що працюють при частоті обертання ротора 1500 і 3000 об / хв, виготовляють, як правило, з неявнополюсним ротором. Застосування в них явнополюсного ротора неможливо за умовами забезпечення необхідної механічної міцності кріплення полюсів і обмотки збудження. Обмотку збудження в такій машині розміщують в пазах осердя ротора, виконаного з масивної сталевої поковки, і зміцнюють немагнітними клинами. Лобові частини обмотки, на які впливають значні відцентрові сили, кріплять за допомогою сталевих масивних бандажів. Для отримання розподілу магнітної індукції, близького до синусоїдальної, обмотку збудження укладають в пази, що займають 2 / 3 кожного полюсного поділу.

Мал. 2.9

Пристрій явнополюсной машини:

1 - корпус, 2 - сердечник статора, 3 - обмотка статора, 4 - ротор,

5 - вентилятор, 6 - висновки обмотки статора, 7 - контактні кільця,

8 - щітки, 9 – збудник

На Мал. 2.9 показано пристрій явнополюсной синхронної машини. Сердечник статора зібраний з ізольованих листів електротехнічної сталі і на ньому розташована трифазна обмотка якоря. На роторі розміщена обмотка збудження.

Полюсним наконечникам в явнополюсних машинах зазвичай надають такий профіль, щоб повітряний зазор між полюсним наконечником і статором був мінімальним під серединою полюса і максимальним у його країв, завдяки чому крива розподілу індукції в повітряному зазорі наближається до синусоїди.

У синхронних двигунах з явнополюсним ротором в полюсних наконечниках розміщують стрижні пускової обмотки, виконаній з матеріалу з підвищеним питомим опором (латуні та ін.) Таку ж обмотку (типу «біляча клітина»), що складається з мідних стрижнів, застосовують і в синхронних генераторах; її називають заспокійливої або демпферного обмоткою, так як вона забезпечує швидке загасання коливань ротора, що виникають при перехідних режимах роботи синхронної машини. Якщо синхронна машина виконана з масивними полюсами, то в цих полюсах при пуску і перехідних режимах виникають вихрові струми, дія яких еквівалентно дії струму в короткозамкну-тих обмотках. Згасання коливань ротора при перехідних процесах забезпечується в цьому випадку вихровими струмами, що замикаються в масивному роторі.