3.2. Синхронные электрические машины переменного тока.

Синхронная машина состоит из вращающегося ротора, на котором имеются магнитные полюса и неподвижного изготовленного из пластин статора, в котором уложена трехфазная обмотка со сдвигом между фазами на 120⁰ (рис.3.5).

Рис.3.5. Устройство синхронной машины: 1- корпус; 2- сердечник статора; 3- обмотка статора; 4- ротор; 5- вентилятор; 6 – выводы обмоток статора; 7 – контактные кольца; 8 – щитки; 9 – возбудитель.

Магнитные полюса ротора могут образовываться постоянными магнитами, но чаще обмотками возбуждения, питаемыми постоянным током через укрепленные на валу изолированные кольца и щетки. Искрение щеток практически отсутствует т.к. кольца сплошные, а ток возбуждения мал. Число пар полюсов может быть большое, особенно для тихоходных мощных гидрогенераторов (до десятков).

Зазор между наконечником полюса и статором делается увеличивающимся к концам полюса, чтобы при вращении полюса в обмотке статора возникает ЭДС синусоидальной формы.

Частота синусоиды равна частоте вращению ротора, умноженной на число пар полюсов. При одной паре полюсов для 50 Гц необходима частота вращения 3000об/мин, при 50 пар полюсов всего 60 об/мин. При подключении нагрузки и протекании тока в обмотке возникает тормозящая сила , которая должна преодолеваться двигателем.

Синхронный генератор после подключения к сети (фазировка) работает синхронно с сетью. При малейшем увеличении скорости ротора ЭДС превышает напряжение сети, ток сильно увеличивается и тормозящая сила возрастает, при уменьшении скорости ротора ЭДС меньше напряжения сети, ток меняет направление, сила становится ускоряющей и генератор переходит в режим двигателя. Ротор синхронного двигателя может вращаться лишь со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора.

При отсутствии синхронизма над данным магнитным полюсом ротора будут поочередно проходить токи разных направлений, и средняя сила будет равна нулю. Это является недостатком синхронных двигателей, которые при резком торможении выпадают из синхронизма.

Для пуска синхронных двигателей ротор надо предварительно привести во вращение со скоростью, близкой к синхронной. Для этого либо используется вспомогательный разгонный двигатель, либо используют преобразователь частоты с плавным ее повышением от нуля. Используют также так называемый асинхронный пуск, когда в ротор располагают продольную короткозамкнутую обмотку и в момент пуска двигатель работает как асинхронный, а при скорости, близкой к синхронной включают ток возбуждения полюсов. Заметим, что в синхронном режиме асинхронная короткозамкнутая обмотка не работает, т.к. вращающее магнитное поле статора ее не пересекает.

Из-за всех этих сложностей синхронные двигатели применяются редко, но в последнее время их применение возрастает из-за емкостного характера их нагрузки, особенно при перевозбуждении или вообще при отключении нагрузки. Имеются специальные синхронные компенсаторы, не имеющие выходного конца вала для нагрузки.

Емкостной характер нагрузки синхронного двигателя и синхронного компенсатора при перевозбуждении, когда магнитная цепь работают в режиме насыщения, объясняется опережением ЭДС относительно внешнего напряжения при нелинейной кривой намагничивания.

Влияние тока нагрузки генератора на магнитный поток и ЭДС аналогично реакции якоря машины постоянного тока. В ненасыщенном режиме и при чисто активной нагрузке магнитный поток обмотки статора перпендикулярен потоку ротора и не ослабляет его. При чисто индуктивной нагрузке реакция статора размагничивающая, при чисто емкостной – намагничивающая, увеличивающая магнитный поток ротора и ЭДС генератора. Кроме основных магнитных потоков в машине необходимо учитывать еще поток рассеяния обмотки статора как и поток рассеяния обмотки возбуждения.

Нагрузочные и регулировочные характеристики синхронного генератора приведены на рисунке 3.6.

Рис. 3.6. Внешние а) и регулировочные б) харак­теристики синхронного генератора:

1- при активной нагрузке; 2 - при индуктивной нагрузке; 3­ - при емкостной нагрузке

3. Асинхронные машины (двигатели).

Асинхронная машина (рис. 3.7) состоит из статора с трехфазной обмоткой, создающее вращающее магнитное поле (аналогично синхронной машине) и вращающегося ротора с короткозамкнутой продольной обмоткой (беличья клетка) (рис. 3.8).

Рис. 3.7. Конструкция трехфазного асинхронного двига­теля: 1 - ротор; 2 - статор с обмоткой; 3 - клемная коробка; 4 -корпус; 5 – подшипниковый щит; 6 - колпак вентилятора; 7 – вентилятор; 8 – подшипник.

Рис.3.8. Короткозамкнутая клетка – а; ротор с обмоткой из алюминия б.

Статор и ротор изготавливают из пакетов листов электротехнической стали с зазором между статором и ротором 0,1 – 1,5 мм в зависимости от размера и мощности двигателя.

В машинах большой мощность обмотка ротора не замкнута, а имеет 3 вывода, подключенных к контактным кольцам для регулировки тока в роторе (фазные роторы).

Число оборотов вращающегося магнитного поля определяется частотой трехфазной сети, деленной на число трехфазных пар полюсов. Число оборотов ротора должно всегда быть меньшим, чтобы вращающиеся магнитное поле пересекало обмотку ротора. Тогда в ней возникает ЭДС , где, где- угловая скорость скольжения – разность угловых частот магнитного поля и ротора,- радиус обмотки ротора. Так как обмотка ротора короткозамкнутая, то в ней протекает ток, гдеR_i – внутреннее сопротивление обмотки – очень малая величина. При протекании тока в магнитном поле на ротор действует вращающая сила . Чем больше скольжение, тем больше ток и следовательно, вращающий момент, максимальный при пуске, когда, а величина, называемая скольжением. В рабочем режиме скольжение мало и составляет 3-7% и для однополюсной машины номинальное число оборотов 2800-2850 об/мин приf_{статора}=3000об/мин.

Ток ротора создает магнитное поле (за исключением поля рассеяния), размагничивающее поле статора, что увеличивает ток в статоре, так что суммарный магнитный поток остается примерно постоянным. При короткозамкнутом роторе коэффициент трансформации обратно пропорционален числу витков первичной обмотки статора , а сопротивление вторичной обмотки. Эквивалентная схема и векторная диаграмма асинхронного двигателя аналогична трансформатору.

Рассмотрим зависимость вращающего момента от скольжения при постоянном напряжении на статоре (рис.3.9).

Рис. 3.9. График зависимости электромагнитного момента

асинхронного двигателя от скольжения.

При нулевом скольжении магнитный поток не пересекает обмотку ротора. Нет тока в роторе и вращающей силы и ее момента. При некотором скольжении, называемом критическим, механический момент достигает максимума. При дальнейшем увеличении скольжения вплоть до остановки двигателя момент медленно снижается из-за роста потерь в роторе и статоре, хотя ток в статоре продолжает увеличиваться.

Устойчивая работа двигателя может быть только при скольжении меньше критического, что является недостатком асинхронных двигателей. Другим недостатком является сильная зависимость момента от напряжения сети (М~U₁²).