Синхронные машины (см)

1. Устройство, принцип действия: а) синхронного генератора (сг), б) синхронного двигателя (сд). Конструкция роторов синхронных машин

На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного и переменного тока в качестве тяговых используют синхронные генераторы, первичными двигателями которых служат двигатели внутреннего сгорания (дизели). Их также используют в качестве вспомогательных машин на тепловозах, электровозах и в пассажирских вагонах.

Рис.3. Устройство синхронного генератора.

Статор является неподвижной частью синхронной машины (рис.3.а.) и состоит из корпуса и сердечника, в пазах которого располагается статорная обмотка, предназначенная для индуктирования в ней ЭДС. Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, в которых вырубают пазы для укладки проводников обмотки статора. При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина.

Рис.6. Генераторный режим работы синхронной машины.

При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции: E = 4,44*f*w*k_w*Ф, где:

f – частота переменного тока, Гц; w – количество витков; k_w – обмоточный коэффициент; Ф – магнитный поток.

Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора: f = p*n/60, где:

р – число пар полюсов; п – скорость вращения ротора, об/мин.

Заменив: E = 4,44*(п*р/60)*w*k_w*Ф и, определив: 4,44*(р/60)*w*k_w – относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4.44*(р/60)*w*k_w.

Тогда: Е = С_Е*п*Ф.

Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.

4.9. Обратимость синхронного генератора

Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 кВт)

Рис.7. Двигательный режим работы синхронной машины.

Для работы синхронной машины в режиме двигателя обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент М, который увлекает его со скоростью магнитного поля.

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 трехфазного синхронного электродвигателя аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя и содержит шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых располагаются фазы трехфазной обмотки статора (рис. 2.132). Концы обмотки статора выведены на клеммную панель. Ротор синхронного двигателя 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. Роторы синхронного двигателя бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами. Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 2.133) применяются в сравнительно тихоходных электродвигателях, число оборотов которых не превышает 1000 об/мин. 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. 2.134). На внешней поверхности поковки фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения. Необходимо отметить следующее. Синхронные двигатели проектируют и изготавливают так, чтобы количество полюсов магнитного поля ротора и поля, создаваемого обмоткой статора, было одинаковым. Поперечное сечение явнополюсного и неявнополюсного ротора с обмоткой возбуждения показано на рис. 2.135. Условные графические обозначения синхронных двигателей с неявно выраженными полюсами приведен на рис. 2.136, а, с явно выраженными полюсами — на рис. 2.136, б.

Рис.2.135. Поперечное сечение явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) роторов: 1 — сердечник; 2 — обмотка возбуждения.

Рис.2.136. Условные обозначения на схемах неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронной машины.

Рис.2.132. Общий вид статора синхронной машины. Рис.2.133. Устройство явнополюсного ротора. Рис.2.134. Общий вид неявнополюсного ротора

Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n₁, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объяс-

Рис. 291. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя

няется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.