Синхронные машины (см)

1. Устройство и принцип действия синхронных машин.

У синхронных машин ротор представляет собой вращающийся магнит — постоянный магнит у машин малой мощности и электромагнит у мощных машин, хотя в последнее время область применения постоянных магнитов расширяется. Число пар полюсов р на роторе то же, что и у обмотки статора. Обмотка электромагнита называется обмоткой ротора или обмоткой возбуждения, а проходящий по ней постоянный ток, током ротора или током возбуждения. В этих условиях полюса ротора жёстко связаны с его телом и вращаются с той же скоростью, что и сам ротор. К вращающейся обмотке ротора ток возбуждения подводится посредством скользящего контакта между двумя вращающимися кольцами, к которым присоединена обмотка возбуждения, и неподвижными щётками. Щётки соединяются с источником постоянного тока, называемым возбудителем. Он позволяет изменять (регулировать) величину тока. Применяется также бесщёточная система возбуждения с вращающимися выпрямителями

В установившемся симметричном режиме работы синхронной машины сталь ротора не перемагничивается, поэтому сердечник ротора может быть изготовлен из не шихтованного материала — стального массива.

В двухполюсных (р=1) и ряде четырехполюсных (р=2) СМ обмотка возбуждения укладывается в пазах, которые фрезеруются в массивном теле ротора. Она закрепляется в них немагнитными клиньями из дюралюминия или титана. Клинья препятствуют выступанию обмотки в зазор под действием центробежных сил, возникающих при вращении ротора. Ротор подобной конструкции называется неявно-полюсным, рис. 3.1, слева. Такие роторы имеют турбогенераторы.

Рис. 3.1. Слева - схема разреза турбогенератора, справа - ротор явнополюсной синхронной машины

В синхронных машинах с числом полюсов больше двух применяется явнополюсная конструкция ротора, рис. 3.2. Здесь катушки обмотки возбуждения (ОВ) размещаются на сердечнике полюса прямоугольного сечения, имеющем на стороне, обращённой к статору, полюсный наконечник, воспринимающий при вращении центробежные силы от ОВ. На противоположной стороне сердечника полюса имеются хвостовики различной формы для крепления полюса к остову ротора. Из-за сложной конфигурации сердечник полюса по технологическим причинам набирается из отдельных штампованных пластин из конструкционной стали толщиной 1,5-2 мм. Неизолированные пластины после прессовки стягиваются заклёпками, проходящими через специальные отверстия, вырубленные при штамповке.

Обмотка возбуждения синхронных машин, фазная обмотка ротора асинхронных машин и обмотки статора имеют витковую изоляцию от замыкания между витками и корпусную изоляцию от сердечников. Изоляция должна соответствовать определенным классам напряжения и нагревостойкости. Превышение температуры сверх допустимой сокращает её срок службы и может привести к пробою изоляции и возникновению аварии. Кроме активной части машина имеет ряд конструктивных элементов: корпус, торцевые щиты, подшипники (в щитах или стояковые), элементы вентиляции и пр.

В процессе непрерывного преобразования механической энергии в электрическую, или наоборот, электромагнитный момент, возникающий при взаимодействии полей статора и ротора, должен быть однонаправленным. Для этого магнитные полюса статора и ротора должны вращаться с одинаковой скоростью, сохраняя своё взаимное расположение в определенном диапазоне.

Электронно-магнитное поле синхронного двигателя обеспечивается двумя электрическими вводами. Это обмотка статора, которая состоит из 3-х фаз и предусматривает 3 фазы источника питания и ротор, на который подаётся постоянный ток.

3 фазы обмотки статора обеспечивают вращение магнитного потока. Ротор принимает постоянный ток и производит постоянный поток.

Но ротор по причине своей инерции не в состоянии вращаться в любом направлении из-за силы притяжения или силы отталкивания и не может оставаться в состоянии простоя. Он не самозапускающийся.

Чтобы преодолеть инерцию силы, необходимо определенное механическое воздействие, которое вращает ротор в том же направлении, что и магнитное поле, обеспечивая необходимую синхронную скорость. Через некоторое время происходит замыкание магнитного поля, и синхронный двигатель вращается с определенной скоростью.

Оборот поля статора происходит в течение периода, а за счёт того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счёт этого явления электродвигатель и получил название синхронного.

В синхронных машинах, где полюса ротора жёстко связаны с телом ротора, необходимо, чтобы угловая скорость ротора(или его частота вращения п) равнялась угловой скорости поля статора (или частоте вращения поля ω)

Ω = Ω₁, n = n₁=f₁/p, (1.1.12)

при этом образуется общее вращающееся магнитное поле.

Если равенства скоростей не будет, то электромагнитный момент становится не однонаправленным, а пульсирующим, знакопеременным. Говорят, что машина «вышла из синхронизма». Если момент меняет знак, то изменяется направление преобразования энергии.