6 Синхронні машини

6.1 Призначення і будова синхронних машин

Синхронна машина – машина перемінного струму, у якої швидкість ротора при постійній частоті струму в обмотці статора зберігається постійної і не залежить від навантаження на валу машини.

Синхронні машини застосовують головним чином для перетворення механічної енергії первинних двигунів в електричну, тобто як генератори електричної енергії змінного струму. Разом з тим синхронні машини використовують також у режимах двигунів, компенсаторів реактивної потужності і інших пристроїв.

В промислових установках найбільше поширення одержали трифазні синхронні машини. Однофазні синхронні двигуни знайшли застосування в електричних годинниках, автоматичних самописних приладах, пристроях програмування і т.п.

Трифазна синхронна машина складається з нерухомого статора і обертового всередині нього неявно чи явно полюсного ротора, між ними є повітряний зазор, радіальний розмір якого залежить від номінальної потужності машини, її швидкохідності і змінюється від часток до декількох десятків міліметрів.

Статор такої машини за будовою практично не відрізняється від статора асинхронної машини, має трифазну обмотку, початок фаз якої позначені С1, С2, С3 і кінці – С4, С5, С6 і виведені до затисків з аналогічними позначеннями, що дозволяє з'єднувати фази обмотки статора трикутником чи зіркою. Фази обмотки статора трифазного синхронного генератора з'єднують переважно зіркою, тому що це дозволяє при трифазній чотири провідної мережі мати у своєму розпорядженні лінійні і фазні напруги, що відрізняються друг від друга в разів.

Ротор являє собою електромагнітну систему постійного струму з обмоткою, яка має те ж число полюсів, що і трифазна обмотка статора. Магнітні силові лінії сусідніх північного і південного полюсів ротора замикаються через повітряний зазор машини і магнітопровід статора. Обмотка ротора, чи обмотка збудження, одержує живлення від випрямлювача чи невеликого генератора постійного струму – збудника, потужність якого складає (0,5…10)% номінальної потужності синхронної машини. Збудник може знаходиться на одному валу із синхронною машиною, приводитися від її вала гнучкою передачею чи мати привод від окремого двигуна.

Неявнополюсний ротор – суцільний чи складений циліндр з вуглецевій сталі чи легованій сталі з пазами, про фрезованими на його поверхні в осьовому напрямку. У ці пази покладена обмотка, виконана ізольованим мідним чи алюмінієвим проводом. Початок И1 і кінець И2 цієї обмотки приєднують до двох контактних кілець, укріплених на втулці з ізолятора, розташованої на валу машини, і обертових разом з ротором. До кілець притиснуті нерухомі струмопровідні щітки, від яких виведені проводи до затисків з маркіруванням И1 та И2 для приєднання до джерела електричної енергії постійної напруги. Великі зуби циліндрів ротора, у яких немає пазів, утворять полюси ротора.

Неявнополюсний ротор звичайно має два чи чотири полюси з полярністю, що чергується, його використовують у швидкохідних синхронних машинах, зокрема в турбогенераторах – трифазних синхронних генераторах, безпосередньо з'єднаних з паровими турбінами, розрахованими на частоту обертання 3000 або1500 обертів у хвилину при частоті перемінного струму 50 Гц.

Явно полюсний ротор з числом полюсів від чотирьох і більш має масивне чи шихтоване зі сталевих листів ярмо, на якому укріплені аналогічної конструкції сталеві полюси, які мають прямокутний перетин, що закінчуються наконечниками. На полюсах розташовані з'єднані між собою котушки, що утворять обмотку збудження. Такий ротор застосовують у тихохідних синхронних машинах, якими можуть бути гідрогенератори і дизель-генератори – трифазні синхронні генератори, безпосередньо з гідравлічними турбінами чи двигуни внутрішнього згоряння, розрахованими на частоту обертання 1500, 1000, 750 і нижче обертів у хвилину при частоті перемінного струму 50 Гц.

Багато синхронних машин мають на роторі крім обмотки збудження ще мідну чи латунну короткозамкнену заспокійливу обмотку, що у неявно полюсному роторі мало відрізняється від аналогічної обмотки ротора асинхронної машини, а в явно полюсному роторі її виконують у вигляді неповної короткозамкненої обмотки, стрижні якої закладені тільки в пази полюсних наконечників і відсутні в між полюсному просторі. Ці обмотки сприяють загасанню коливань ротора при несталих режимах синхронної машини, а також забезпечує асинхронний пуск синхронних двигунів.

Синхронні машини номінальною потужністю до 5кВт іноді виготовляють у зверненому виконанні з обмоткою збудження на статорі і з трифазною обмоткою на роторі.