Глава 13. Синхронные машины

13.1. Устройство и принцип действия синхронной машины

Как было указано ранее, синхронные машины используют в качестве как генераторов, так и двигателей. Мощность современных синхронных трехфазных генераторов, применяемых на электростанциях, составляет десятки — сотни тысяч, а в некоторых случаях 1 млн. кВА и более.

Синхронные двигатели обычно бывают большой мощности, иногда применяют синхронные микродвигатели в устройствах, требующих под­держания строгого постоянства частоты вращения, например для при­вода вводных и выводных устройств электронно-вычислительных машин, а также различных устройств автоматики, измерительной техники и т. д.

Синхронные машины также используют в качестве синхронных компен­саторов, т. е. машин, работающих в режиме холостого хода и отдающих в сеть реактивную мощность. Синхронные компенсаторы служат для повышения коэффициента мощности (соsφ) электрических установок промышленных предприятий и стабилизации напряжения в электри­ческих сетях, ибо перевозбужденная синхронная машина в режиме хо­лостого хода по отношению к сети эквивалентна конденсатору. Не-довозбужденная синхронная машина, работающая вхолостую, по отно­шению к сети эквивалентна индуктивности. Действительно, изменяя ток возбуждения синхронной машины, можно менять реактивную мощность, отдаваемую синхронным компенсатором в сеть или потребляемую им из сети. Поэтому, изменяя реактивный ток, можно изменять потерю напряжения в сети, к которой присоединен компенсатор, т. е. произво­дить стабилизацию напряжения сети.

Синхронные машины, используемые в качестве генераторов, соединяют жестко непосредственно с первичными двигателями, приводящими во вращение генераторы на электростанциях, т. е. с паровыми и газовыми турбинами, гидротурбинами. Генераторы, соединяемые с паровыми или газовыми турбинами, получили название турбогенераторов, а с гидротурбинами — гидрогенераторов. Турбогенераторы обычно имеют большую частоту вращения (1500—3000 об/мин), частота вращения гидрогенераторов меньшая.

Синхронные двигатели и генераторы состоят из двух основных частей: статора и ротора. Устройство статора синхронной машины принципиально не отличается от устройства статора асинхронной машины. Ротор представляет собой электромагнит, к обмотке кото­рого подводится постоянный ток через два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца, насаженных на вал ротора, и неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам. По конструк­ции ротора синхронные машины подразделяют на неявнополюсные и явнополюсные. Явнополюсный ротор используют в машине с четырьмя полюсами и более. На рис. 13.1, а показан ротор синхронной явнополюсной машины, когда на полюсы надета обмотка возбуждения 1, а на рис. 13.1,б—ротор неявнополюсной машины, когда обмотка возбуждения 1 уложена в продольных пазах, расположенных по всей длине монолитного стального цилиндрического сердечника ротора. Обмотка возбуждения питается постоянным током от генератора постоянного тока, называемого возбудителем, который обычно соединен жестко с валом синхронной машины, или от выпрямительной уста­новки. Мощность, необходимая для возбуждения, обычно составляет 0,3 — 3% от мощности синхронной машины.

На рис. 13.2 показана конструктивная схема явнополюсной трех­фазной синхронной машины, состоящей из статора 1, трехфазной обмотки статора 2, явнополюсного ротора 3, обмотки ротора 4, вала ротора 5, контактных колец б, щеток 7. Следует отметить, что обмотки статора и ротора имеют одинаковое число полюсов.

При вращении ротора 3 с частотой n магнитный поток Ф, создавае­мый постоянным током возбуждения I_B пересекает проводники обмотки статора и наводит в ее фазах переменную э. д. с., пропорциональ­ную частоте вращения ротора и изменяющуюся с частотой

(13.1)

Если к трехфазной обмотке статора подключить нагрузку, то проте­кающий через обмотку статора ток будет создавать вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

(13.2)

Равенство (13.2) показывает принцип действия синхронной машины: ротор вращается синхронно с полем статора (n₀ = n), поэтому и электрические машины получили название синхронных.

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют якорем, а часть машины, где расположена обмотка возбуждения, называетсяиндуктором. В синхрон­ной машине (рис. 13.2) статор является якорем, а ротор — индуктором (что характерно для машин, применяемых в промышленности). В некоторых случаях обмотку якоря располагают на роторе, а обмотку возбуждения - на статоре.

Синхронная машина, подключенная к сети, может отдавать в сеть или потреблять из нее электроэнергию, т. е. работать как генератор и как двигатель. В режиме двигателя при подключении обмотки статора к сети ток, протекающий по обмотке, создает вращающееся магнитное поле, и частота вращения ротора равна этой частоте, так как в результате взаимодействия поля с током ротора I_B, создается вращающий электромагнитный момент М. Если синхронная машина работает в генераторном режиме, то взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с током ротора I_B создает тормозной момент.