Лекция № 6. 1. Синхронные машины

Устройство синхронных машин

Основными частями синхронной машины являются статор и ротор. Статор синхронной машины состоит из корпуса, в котором размещен сердечник, представляющий собой цилиндр, набранный из тонких листов электротехнической стали с пазами по внутренней поверхности. В пазы укладывается трехфазная обмотка статора. Это три обмотки, каждая из которых состоит из нескольких катушек. Обмотки сдвинуты относительно друг друга в пространстве на угол . Статор синхронной машины является якорем (т.е. той частью машины, в которой при работе наводится ЭДС).

Ротор синхронной машины – это вращающийся постоянный электромагнит, создающий основной магнитный поток , т.е. ротор – индуктор. Как правило, магнитное поле ротора создается обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока.

Обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока через токосъемник. Он представляет собой два кольца, к которым подключена обмотка возбуждения ротора и две щетки, которые подключены к внешнему источнику постоянного напряжения.

По конструкции ротор может быть явнополюсным или неявнополюсным. Явнополюсные роторы обычно выполняют наборными. На вал насаживается цилиндрическое основание, к которому соединением типа «ласточкин хвост» крепятся полюса, на которые насаживаются полюсные катушки. Явнополюсные роторы применяют в малых и тихоходных машинах с частотой вращения до 1000, 1500 об/мин.

В быстроходных машинах при скоростях более 1500 об/мин из соображений механической прочности, а также для уменьшения трения о воздух применяют цилиндрические неявнополюсные роторы.

Обмотка возбуждения, подключается к источнику постоянного тока через кольцевой токосъемник. Он представляет собой два кольца, к которым подключена обмотка возбуждения ротора и две щетки, которые подключены к внешнему источнику постоянного напряжения.

На схемах синхронную машину обозначают в полном или упрощенном изображении. При этом обмотку возбуждения явнополюсного ротора показывают штриховой окружностью, а неявнополюсного – сплошной.

Принцип действия трехфазного синхронного генератора

В генераторе ротор (индуктор) вращается приводным двигателем (например, турбиной). Ток в обмотке возбуждения создает основной магнитный поток . Если начать вращать ротор при помощи приводного двигателя появится вращающееся магнитное поле. Пересекая витки обмотке статора (якоря), это поле будет наводить в ней трехфазную ЭДС. ЭДС, наводимая потоком ротора, создает трехфазное напряжение. При включении нагрузки возникает ток в обмотке статора, который образует вращающееся магнитное поле якоря с потоком . Частота и направление вращения двух потоков и одинаковы, и в сумме они создают общий магнитный поток генератора . Взаимодействие вращающегося магнитного поля с током в роторе вызывает тормозной электромагнитный момент , действующий на ротор. Тормозной электромагнитный момент направлен навстречу вращению ротора и уравновешивает вращающий момент турбины.

Основные характеристики синхронного генератора

(характеристика холостого хода)

(рис. 5 а).

Зависимость ЭДС от тока возбуждения при постоянной частоте вращения называется характеристикой холостого хода

Ее форма определяется кривой намагничивания стали, из которой изготовлен генератор.

(внешняя характеристика)

(рис. 5 б)

Зависимость напряжения от тока нагрузки при неизменной частоте вращения называется внешней характеристикой генератора

Зависимость напряжения от тока нагрузки при неизменной частоте вращения называется внешней характеристикой генератора. Генераторы проектируют таким образом, чтобы при работе с активно-индуктивной нагрузкой с при номинальном токе нагрузки, напряжение на зажимах генератора было номинальным.

(регулировочная характеристика)

(рис. 5 в)

Регулировочная характеристика синхронного генератора показывает, как надо менять ток возбуждения при изменении тока нагрузки , чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось

постоянным (при и ).

1.6. Основные уравнения и характеристики двигателя

По аналогии с синхронным генератором уравнение электрического состояния фазы статора двигателя имеет вид

(2)

где Х_с – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора

(механическая характеристика)

(рис. 6 а).

Механическая характеристика синхронного двигателя представляет собой горизонтальную прямую, так как частота вращения ротора неизменна.

Но с изменением момента нагрузки ротор смещается относительно результирующего магнитного поля, так как изменяется угол поворота ротора относительно оси магнитного поля .

(угловая характеристика)

Зависимость момента от угла поворота ротора относительно поля имеет вид:

где . Эта зависимость называется угловой характеристикой двигателя. Видно, что момент пропорционален синусу угла и достигает максимального значения при . В номинальном режиме обычно принимают угол , а момент . Этим обеспечивается достаточная перегрузочная способность двигателя. Угловая характеристика двигателя показана на рис. 6 б.

( – образные характеристики)

	Проанализируем уравнение (2).
Пусть синхронный двигатель работает при неизменной мощности на валу. При изменении тока возбуждения изменяется магнитный поток и ЭДС .

Синхронный двигатель, предназначенный для работы на холостом ходу с большим током возбуждения только с целью компенсации реактивной мощности в сети, называется синхронным компенсатором. Конструкция синхронных компенсаторов облегчена в сравнении с обычными двигателями, а обмотка возбуждения рассчитана на большой ток. Размеры и масса синхронного компенсатора меньше, чем конденсаторной батареи той же мощности, и реактивную мощность можно плавно регулировать. Но компенсаторы сложнее и дороже конденсаторов, поэтому их обычно применяют при большой реактивной мощности.

2. Асинхронные машины

Асинхро́нный электродвигатель (также Асинхронная машина) — электрический двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. В ряде стран к асинхронным двигателям причисляют также коллекторные двигатели. Второе название асинхронных двигателей — индукционные, это обусловлено тем, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора.

Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.

Принцип работы АД: при протекании 3-х фазного переменного тока по обмотке статора возникает вращающееся магнитное поле. Это поле наводит ток в обмотках ротора, таким образом, происходит взаимодействие вращающегося магнитного поля с током ротора. В результате возникают механические усилия (вращающий момент), заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения магнитного поля n₁. Таким образом, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.