Лекция 9 Синхронные машины
У синхронных машин ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого фазными обмотками статора, подобного статору асинхронной машины. Ротор синхронной машины является электромагнитом или реже постоянным магнитом с числом пар полюсов, равных числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную частоту вращения ротора независимо от момента на валу. Поэтому эти машины используют в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной частотой вращения. Единичная мощность синхронного двигателя в приводах больших мощностей достигает несколько десятков мегаватт (до 1500 МВт). В основном синхронные машины используются в качестве промышленных генераторов электроэнергии на электростанциях.
Устройство синхронной машины.
Статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины (см. рис. 14.1). Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укрепленных внутри массивного корпуса. В пазах внутренней стороны статора размещена трёхфазная обмотка.
Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит - явнополюсный (см. рис. 15.1, где 1-полюсы, 2- полюсные катушки, 3- сердечник ротора, 4- контактные кольца) или неявнополюсный (см. рис. 15.2, где 1- сердечник ротора. 2- пазы обмотки, 3- контактные кольца). Ток в обмотку ротора поступает через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока- возбудителя.
Для получения синусоидальной ЭДС в проводах фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем тока ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора.
н
В явнополюсной машине это достигается увеличением ширины воздушного зазора от середины полюса к краям. В быстроходных машинах с неявными полюсами используется соответствующее распределение обмотки возбуждения вдоль окружности ротора.
Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только постоянным током в обмотке якоря, но и переменными токами в фазных обмотках статора (см. рис. 32.1, 32.2б-магнитное поле на поверхности статора).
Физически в синхронной машине существует лишь одно результирующее поле, складывающееся из постоянного магнитного поля вращающегося ротора, магнитного поля рассеяния статора и вращающегося синхронно с ротором магнитного поля реакции якоря. Электрическая мощность синхронного генератора:
Р=3 U I cosφ,
где cosφ - коэффициент мощности нагрузки.
Электромагнитный момент¸ создаваемый взаимодействием тока якоря с магнитным полем статора, связан с электрической мощностью Р известным простым соотношением:
МЭМ=Р/ωР.
У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют тоже р пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины, см.рис. 14.10). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения равна:
n=60 f/p (f=n p/60).
При стандартной промышленной частоте 50 Гц максимальная частота вращения, соответствующая двухполюсной машине (р=1), будет 3000 мин-1. Это частота современного турбогенератора, состоящего из первичного двигателя - паровой турбины и неявополюсного синхронного генератора (турбогенератора).
У гидрогенератора гидравлическая турбина вращается относительно медленно. Это вынуждает изготовлять гидрогенераторы многополюсными, с явными полюсами и в большинстве случаев - с вертикальным валом. Частота вращения роторов этих генераторов - от 60 до нескольких сотен оборотов в минуту, чему соответствует несколько десятков пар полюсов.
Вследствие относительно малых оборотов гидрогенераторы имеют большую удельную массу- свыше 8 кг/кВ А (генераторы для паровых турбин имеют менее 2,5 кг/кВ А).