Лекция 14 Тема: Синхронные машины.

Синхронные машины используются как генераторы и двигатели преимущественно большой мощности. Они, как и все электрические машины, обратимы. Синхронная машина является машиной переменного тока, устройство ее статора принципиально такое же, как и у асинхронной машины. Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током через кольца, вращающиеся вместе с валом и ротором. Существуют две конструкции ротора - явнополюсная и неявнополюсная. Явнополюсный ротор имеет выступающие полюсы, применяется для тихоходных машин (1000-1500 об/мин). Для быстроходных машин (1500-3000 об/мин) явнополюсный ротор конструктивно не выполним из-за сложности надежного крепления полюсов при больших центробежных силах. Для этих машин применяется неявнополюсный ротор, имеющий вид цилиндра без выступающих полюсов.

У тихоходных машин для получения нужной частоты переменного тока явно полюсный ротор выполняется с десятками полюсов.

Рис. 45. Роторы синхронной машины.

Неявнополюсные роторы изготавливаются обычно двух и четырех полюсными. Обмотка статора и роторов имеют одинаковое число витков.

Обмотка статора синхронного трехфазного генератора обычно соединяется звездой. Вал сочленяется с первичным двигателем, который вращает генератор с постоянной скоростью n₀ = const. Ток возбуждения, поступающий в цепь ротора от источника постоянного тока, может регулироваться от О до некоторого максимального значения, что позволяет получать различные значения ЭДС, пропорциональные магнитному потоку. Форма наконечников полюсов выбирается такой, чтобы распределение магнитного потока по окружности статора было синусоидальным. Поэтому магнитный поток, связанный с каждой фазой обмотки статора, тоже синусоидален. Действующая синусоидальная ЭДС, индуктируемая при х.х. в одной фазе статора, равна:

Е₀ = 4,44 k w f Ф₀ .

Скорость вращения магнитного поля статора равна скорости вращения ротора, т.е. ротор вращается синхронно с магнитным полем статора, чем и объясняется название синхронная. При f = 50 Гц скорость может быть 3000, 1500, 1000 и т.д.

Режим двигателя синхронной машины.

В режиме двигателя синхронная машина потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию. Момент является движущим, а не тормозящим, как в режиме генератора. В двигателе полюсы ротора отстают от вращающегося поля, поле ведет за собой ротор и его скорость равна синхронной. Момент нагрузки при этом не должен превышать наибольшего значения, который в состоянии развить синхронная машина. Иначе синхронность скоростей нарушится, скорость ротора начнет падать, возникнут недопустимые колебания тока и вращающего момента и машину немедленно надо отключить. Пуск в ход синхронного двигателя обычного исполнения включением в сеть невозможен. В момент включения ротор неподвижен. Расположение полюсов статора и ротора таково, что через каждые полпериода момент, действующий на ротор со стороны статора, меняет направление. Поэтому ротор, находясь под действием кратковременных знакопеременных толчков, не сдвинется с места. Пуск синхронного двигателя возможен при условии, что предварительно будет произведен разгон ротора до скорости, равной или близкой к синхронной. Для выполнения этого обычно применяют асинхронный пуск в ход, состоящий в том, что в начале пуска двигатель разгоняется как асинхронный. Для этого ротор имеет короткозамкнутую обмотку.

Перед включением обмотка ротора замыкается на сопротивление, постоянный ток в нее пока не подается. Затем включается обмотка статора и возникает вращающееся магнитное поле и двигатель разгоняется до скорости n. Все происходит как при пуске асинхронного двигателя n = n_o (1 - s).

Рис. 46. Схема синхронного двигателя с асинхронным пуском.

Затем обмотка возбуждения отключается от сопротивления и подключается к источнику постоянного тока. В результате возникает обычный для синхронной машины момент взаимодействия вращающегося поля статора и полюсов ротора и машина втягивается в синхронизм. При отсутствии скольжения в пусковой клетке токи не возникают. Замыкание обмотки возбуждения на сопротивление делается для того, чтобы вращающееся поле не создало в ней большую ЭДС, опасную для изоляции. Кроме этого, замкнутая роторная обмотка работает как дополнительная асинхронная и создает пусковой момент. Синхронные двигатели конструктивно сложнее асинхронных с короткозамкнутым ротором. Для них требуется источник постоянного тока. Пуск значительно сложнее, состоит из нескольких операций и необходимы более сложные пусковые устройства. Но в то же время синхронные двигатели могут работать с любым cos φ, который можно изменять независимо от нагрузки на валу, регулируя его ток возбуждения. Т.о. можно повышать cos φ потребителя. Для этого надо создать режим перевозбуждения машины, когда ток является для сети опережающим напряжение на угол, близкий к /2, в то время как основная нагрузка сети - асинхронные двигатели всегда потребляют ток, отстающий по фазе от напряжения сети. Поэтому выгодно заставить синхронные двигатели работать с опережающими токами, чтобы их реактивные составляющие хотя бы частично компенсировали отстающие реактивные составляющие токов асинхронных двигателей. Достоинством синхронного двигателя также то, что его М_max зависит от U_с, а не от U_с² как у асинхронного двигателя. Это значит, что при колебаниях напряжения сети при изменении ее нагрузки момент синхронного двигателя более стабилен.

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод, что синхронные двигатели целесообразно применять для установок большой мощности (50-100 кВт), в особенности для установок, работающих в условиях редких пусков (мощные компрессоры и электромашинные преобразователи переменного тока в постоянный). Способность же служить генератором реактивной мощности широко применяется в двигателях, работающих на х.х. и повышающих cos φ сети. Такие электрические машины называются синхронными компенсаторами. Они работают в режиме перевозбуждения, вызывая ток, опережающий напряжение сети на угол, близкий к /2. При работе синхронных компенсаторов уменьшается результирующий ток, нагружающий электрическую сеть. Потери в синхронных компенсаторах составляют 2-3% их номинальной мощности.