3. Синхронные машины

3.1. Устройство и принцип действия

Синхронной машиной называется такая машина переменного тока (чаще всего, 3-х фазная), ротор которой вращается в рабочем режиме с той же скоростью, что и магнитное поле токов статорной обмотки.

Скорость ротора:

n₂ = (3.1)

определяется частотой сети и не зависит от нагрузки.

Устройство статора принципиально не отличается от устройства статора асинхронной машины. При этом 3-Х фазная обмотка статора выполняется таким образом, что возбужденное ею вращающее магнитное поле имеет всегда такое же число полюсов как ротор.

Ротор имеет магнитные полюса, они возбуждаются постоянным током, подаваемым в обмотку ротора через контактные кольца и щетки.

Постоянный ток для питания ротора получается от выпрямительной установки или от возбудителя ( отдельного или сидящего на валу ротора).

Существуют две различные конструкции ротора синхронной машины – явно полюсный ротор и неявно полюсный ротор.

Явнополюсный ротор имеет выступающий полюса, на которые одета обмотка возбуждения в виде катушек. Применяется в тихоходных машинах с большим числом полюсов (например, в гидрогенераторах).

Неявнополюсный ротор имеет вид цилиндра без выступающих полюсов. В продольные пазы этого цилиндра закладывается обмотка возбуждения. Применяется в быстроходных машинах с малым числом полюсов (например, в турбогенераторах).

Синхронные машины используются главным образом в качестве мощных 3-х фазных генераторов переменного тока, устанавливаемых на тепловых и гидроэлектростанциях. При вращении ротора синхронного генератора со скоростью n с помощью первичного двигателя (обычно турбина) магнитное поле полюсов наводит в неподвижных проводниках статорной обмотки ЭДС , частота которых согласно (3.1) равна:

f=(3.2)

При включении генератора на симметричную нагрузку в фазах статорной обмотки появляются токи, создающие свое вращающее магнитное поле скорость

которого равна: (3.3)

Подставляя в (3.3) равенство (3.2) имеем:

(3.4)

Итак,- синхронная скорость.

Значит, магнитные потоки ротора и статора вращаясь в пространстве с одинаковой синхронной скоростью n, неподвижны друг относительно друга и образуют общее результирующее поле машины.

Как двигателей синхронные машины применяются преимущественно как средние и в качестве мощные двигатели с постоянной скоростью, при редких пусках, т.е. тогда, не требуется электрического регулирования скорости: (для насосов шлюзов, шахт, вентиляторов, компрессоров, для приводов прокатных станов и т.д.).

3.2. Холостой ход синхронного генератора

Принципиальная схема работы синхронного генератора показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1

При холостом ходе ток статора синхронного генератора равен нулю, (рубильник Р на схеме разомкнут).

Обмотки статора обычно соединяют звездой (для подавления 3-й гармоники).

Ток возбуждения ротора может регулироваться от 0 до максимального значения. Это позволяет изменять в широких пределах Ф ротора, а следовательно, величину ЭДС E₀ статора.

Форма наконечников полюсов ротора выбирается такой, чтобы распределение магнитного потока по окружности статора (т.е. в пространстве) машины было синусоидальным. Поэтому можно считать, что при вращении ротора магнитный поток Ф₀ , пронизывающий каждую фазу обмотки статора, изменяется во времени по гармоническому закону, т.е. t. Значит, и ЭДСбудет также синусоидальна.

Действующее значение ЭДС E₀, индуктированной при холостом ходе в одной фазе статора, равно:

, (3.5)

где k₁- обмоточный коэффициент.

Частота этой ЭДС будет:

(3.6)

По закону электромагнитной индукции E₀ отстает от Ф₀ на угол .

Зависимость E₀ =при,называется характеристикой холостого хода. (рис. 3.2.)

Она почти линейна до номинального значений Е_0н и I_вн и лишь далее сказывается насыщение. Линейность объясняется большим воздушным зазором между ротором и статором (в крупных генераторах до нескольких сантиметров).