Частина 12. Синхронні машини.

12.1. Принцип дії синхронних машин

Статор 1синхронної машини (рис. 12.1) з укладеною на ньому трифазною обмоткою виконаний так, як описано у п. 10.1. На роторі2 розміщенийіндуктор, обмотка збудження якого живиться постійним струмом. З зовнішнім джерелом постійного струму обмотку збудження (ротора) з'єднують за допомогою контактних кілець і щіток.

При обертанні ротора з частотою п створений його обмоткою магнітний потікФ₀ перетинає провідники обмотки статора, яка на рис. 12.1 зображена скупченою (вся фаза, наприклад, лежить у двох пазах, зсунутих на кут 180° ел.) і індукує в них ЕРС, напрямок якої визначається за правилом правої руки, а частота, згідно (В.З),

(12.1а)

Якщо обмотку статора (якоря) під'єднати до навантаження, то потече струмІ_я і велике магнітне поле, що обертається (див. п. 10.2), частота обертання якого, згідно (10.5)

(12.16)

Порівнявши рівняння 12.1, бачимо, що , тобто ротор обертається з тією ж частотою, що і магнітне поле статора. Тому машину, що розглядаємо, називаютьсинхронною.Результуючий магнітний потік, у ній створюється разом з обмотками індуктора (ротора) і якоря (статора), причому цей потік обертається в просторі з частотою.

Можна уявити, що ротор зв'язаний пружними магнітними силовими лініями з полем статора, що обертається, і вони - ротор і поле - у встановленому режимі нерухомі одне відносно іншого.

Якщо обмотку статора під'єднати до напруги частотою , то струм, що тече по обмотці, створить так само, як і в асинхронній машині магнітне поле, що обертається і частота обертання якого визначиться за (11.1) або, що одне й те ж, за (12.16).

Взаємодія поля статора, що обертається, зі струмом збудження ротора призводить до появи електромагнітного моментуМ який при роботі машини в режимі двигуна буде обертальним, а при роботі в режимі генератора. - гальмівним.

Рис. 12.1. Схема трифазної синхронної

машини

При розімкненій обмотці статора (холостий хід) магнітний потік збудження створюється роторною обмоткою постійного струму, тому сам ротор нерухомий відносно магнітного поля і обертається синхронно разом з ним, незалежно від механічного навантаження на валі (двигун) або електричного навантаження статора (генератор).

Назвемо повздовжньою магнітною віссю лінію, що проходить по осі полюсів, апоперечною -лінію, що проходить через центр ротора під кутом: 90° ел. до повздовжньої осі.

На рис. 12.1 показано, що магнітні силові лінії статора напрямлені по поперечній магнітній осі. Результуюче поле посилено на збігаючій частині полюса: магнітні силові лінії ротора і статора співпадають за напрямом; на набігаючій частині полюса магнітні силові лінії ротора і статора напрямлені назустріч і результуюче поле послаблене.

12.2. Конструктивні типи і будова синхронних машин.

Всі синхронні машини поділяють за конструкцією ротора на дві групи:- явнополюсні - з явно вираженими полюсами інеявпополюсні - з неявно вираженими полюсами.

Явнополюсний ротор (рис. 12.2а) складається з магнітопроводу1і полюсних обмоток збудження2. Магнітопровід частіше всього виконують у вигляді насадженого на вал машини полюсного колеса (роторної зірки), на ободі якого кріпиться шихтовані з листової сталі і стягнуті шпильками полюси.

Неявнополюсний ротор складається з насадженого на вал стального кованого циліндра1 з вифрезованими на його поверхні повздовжніми пазами, в котрі закладають обмотку збудження2. Пази розміщують рівномірно тільки на2/3 поверхні ротора, іншу частину її займають центральні зубці (полюси). Провідники і обмотки надійно закріплюють в пазах немагнітними клинами, а її лобові частини - сталевими бандажними кільцями.

Виготовлення явнополюсних роторів значно простіше технологічно і дешевше. Але при високих частотах обертання на ротор діють значні доцентрові сили і за умовами забезпечення механічної міцності кріплення полюсів і їх обмоток застосування явнополюсних роторів стає неможливим. Тому при або2 ( або об/хв) синхронні машини виконують, як правило, неявнополюсними. Приоб/хв) - машини явнополюсні.

Рис. 12.2. Будова роторів явнополюсної (а) і неявнополюсної (б) синхронних машин

В полюсних наконечниках роторів виштамповують круглі пази, в яких розміщують латунні стержні, що замикаються з торців кільцями. Ця обмотка (типу "білчина клітка") єкусковою у двигунів ізаспокійливою у генераторів. Призначення цієї обмотки розглядається далі.

На валі ротора, як явнополюсних, так і неявнополюсних синхронних машин встановлюють контактні кільця, до яких приєднують виводи обмотки збудження, кільця надійно ізолюють від валу машини. З кільцями контактують закріплені в щіткотримачах щітки.

Явнополюсні синхронні генератори застосовуються у якості тягових на тепловозах і кар'єрних електровозах з джерелами автономного живлення (дизель-генераторна установка).

Обмотка збудження ротора може живитися від стороннього генератора постійного струму (збудника), що встановлюється на валі ротора синхронної машини, або живиться від власної обмотки якоря (статора) через напівпровідниковий випрямляч. Регулювання струму збудження здійснюється автоматично спеціальними регуляторами. Потужність, необхідна для збудження, незначна і складає 0,5-5 % потужності синхронної .машини.