Синхронные машины

7.8 Устройство синхронной машины

Для синхронных машин характерно, что ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой электромагнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную угловую скорость последнего независимо от момента на валу. Это свойство позволяет использовать синхронные машины в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной угловой скоростью. Распространенность синхронных двигателей не так широка, как асинхронных, но, например, в металлургии, их использование становиться необходимым. Единичная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает нескольких десятков мегаватт. Основной областью применения синхронных машин является использование в качестве промышленных генераторов для выработки электрической энергии на электростанциях. Единичная мощность современных электрогенераторов достигает 1500 МВА.

Основными частями синхронной машины являются статор и ротор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Ротор имеет обмотку возбуждения, которая через контактные кольца и щетки питается постоянным током от возбудителя или от сети переменного тока через выпрямитель. Возбудитель – генератор постоянного тока, установленный на валу ротора.

Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Приводным двигателем ротор приводится во вращение с частотой n₁. При вращении ротора, запитанного от возбудителя, магнитный поток тоже вращается и пересекает обмотки статора, в которых индуктируется симметричная трехфазная система ЭДС.

Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения равна

(7.11)

Частота переменного тока стандартизирована, поэтому для ее получения необходимо обеспечить постоянную, независимую от нагрузки скорость вращения. С этой целью первичные двигатели на электрических станциях оборудуются автоматическими регуляторами скорости.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную (рисунок 7.5).

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины; гидравлические турбины и двигатели внутреннего сгорания (дизели).

Рисунок 7.5– Конструкция роторов синхронных машин:

а) явнополюсный; б) неявнополюсный

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором. Гидравлическая турбина вращается медленно (60 об/мин) и роторы гидрогенераторов выполняют многополюсными с явнополюсной конструкцией.

Паровая турбина работает при частоте вращения (1500-3000) об/мин, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют двухполюсными или четырехполюсными. В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы, поэтому по условиям механической прочности применяют неявнополюсный ротор. Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает 2/3 его поверхности, а 1/3 поверхности – полюсы.

Дизель-генераторы работают с частотой вращения 600-1500 об/мин и выполняются с явнополюсным ротором. Используются в сельском хозяйстве, на транспорте в качестве основного, резервного и аварийного источника электрической энергии.

Рисунок 7.6 – Синхронный генератор (дизель-генератор):

1 – контактные кольца; 2- щеткодержатели; 3- полюсная катушка ротора;

4- полюсный наконечник; 5- сердечник статора; 6- вентилятор; 7- вал

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения. Синхронные двигатели конструктивно не отличаются от синхронных генераторов.