Синхронні машини

Синхронною машиною називають електричну машину змінного струму, у якої частота індукуючої у ній е.р.с. жорстко зв'язана зі швидкістю обертання машини. У сучасних електроенергетичних установках синхронна машина служить перетворювачем механічної енергії в енергію змінного струму як основного роду струму в них. Як вказувалося у введенні, сучасна електроенергетична установка складається із трьох основних частин: електричної станції (теплової, гідравлічної або атомної), що виробляє електричну енергію; лінії електропередачі й споживачів цієї енергії. На теплових, гідравлічних або атомних електростанціях для виробництва електроенергії змінного струму застосовують великі синхронні машини, називані турбо- і гідрогенераторами, потужністю до декількох сотень тисяч кіловат кожна й більше. Однак розгляд пристрою й робочих властивостей великих синхронних машин не входить до завдання даної книги.

У третьому розділі книги розглядаються тільки малі одно- і трифазні синхронні генератори й двигуни в діапазоні потужностей до декількох сотень вольт-амперів або трохи більше. У цей час ці машини знаходять широке застосування в різних областях нової техніки - в автоматичних пристроях, літальних апаратах, установках проводового зв'язку, самописних приладах, електричних годинниках і інших областях.

§ 3.1. Принцип дії й будова синхронної машини

Як відомо з першого розділу, у колекторній машині постійного струму при обертанні якоря в окремих провідниках його обмотки індукуються змінні е.р.с., які завдяки механічному випрямленню їх за допомогою колектора проявляються на затискачах машини у вигляді постійної напруги. Отже, якби обмотка якоря машини була приєднана відповідним чином не до колектора, а до контактних кілець, то від такої машини була б отримана змінна напруга й струм. Це означає, що принцип дії машини змінного струму по суті вже розглянутий при вивченні принципу пристрою колекторної машини постійного струму. Дійсно, в електричній машині змінного струму також відбувається перетворення підведеної до неї механічної енергії в електричну або назад. Це перетворення енергії базується на тих же двох законах електрики й магнетизму, що й у колекторній машині постійного струму, а саме: на законі електромагнітної індукції й законі електромагнітної взаємодії провідника зі струмом і магнітним полем.

У машині постійного струму при обертанні якоря в нерухливому магнітному полі частота зміни е.р.с. в окремому провіднику обумовлюється тільки швидкістю обертання його й числом пар полюсів машини. Справді, за подвійний полюсний крок 2τ₁ е.р.с. у провіднику а - (рис. 22.1) змінить свій напрямок два рази (рис. 22.2), тобто зробить повний період зміни. Якщо число полюсів машини 2р, то за один оберт якоря число періодів е.р.с. у провіднику а буде в р раз більше.

При швидкості обертання якоря п (об/хв) число періодів у секунду або частота (Гц) індукуючої е.р.с. у провіднику

Як показує рівняння (22.1), частота індукуючої е.р.с. у машині змінного струму змінюється в строгій відповідності зі швидкістю обертання її або синхронно з нею. Тому синхронною машиною називають електричну машину змінного струму, у якої частота індукуючої е.р.с. жорстко зв'язана зі швидкістю обертання машини.

Залежно від характеру вироблюваного або споживаного току синхронні машини діляться на одно- і багатофазні.

Для одержання е.р.с. в обмотці електричної машини за законом електромагнітної індукції необхідно лише відносний рух провідників обмотки й магнітного поля. У зв'язку із цим синхронна машина конструктивно може бути виконана у вигляді нерухливої магнітної системи й обертового якоря з обмоткою (звичайна конструкція машини постійного струму, якір який має контактні кільця замість колектора) і рухливої магнітної системи, називаної ротором, і нерухливого якоря, називаного разом з підтримуючим його корпусом статором.

Сучасні синхронні машини, особливо великої потужності, конструктивно виконують в основному в другій формі, тобто мають рухливу магнітну систему, або ротор, і нерухливий якір, або статор. Така конструкція синхронної машини доцільна завдяки наступним технічним достоїнствам:

а) простоті конструкції машини в цілому;

б) надійності ізолювання й роботи обмотки нерухливого статора;

в) одержанню напруги й струму від машини без посередництва контактних кілець, оскільки робоча обмотка її, нерухома.

С татор 1 синхронної машини складається зі сталевого кільця, зібраного у вигляді пакета з листової електротехнічної сталі, по внутрішній поверхні якого розташовані пази з покладеної в них обмоткою 2 (рис. 22.3). Обмотки статорів синхронних машин виконують винятково барабанного типу одно- і двошаровими.

З метою зменшення магнітних втрат на вихрові струми в сталі статора окремі аркуші його ізолюють один від одного спеціальним папером або лаком, як і в якорі машини постійного струму. Зібраний пакет статора з обмоткою закріплюють у металевому корпусі. У великих синхронних машинах цей корпус виконують звичайно зварювальним зі сталевих аркушів необхідної товщини, і рідше литим, а в малих машинах — з алюмінію. Що стосується пристрою ротора синхронної машини, то залежно від числа полюсів її або швидкості обертання вона може мати дві різні конструкції ротора.

1. Явнополюсний ротор 3, застосовуваний у багатополюсних малих, середніх і великих синхронних машинах (див. рис. 22.3). До великих багатополюсних машин відносяться гідрогенератори, установлювані на гідроелектростанціях і обертаючі гідравлічними турбінами зі швидкістю порядку 75-250 об/хв.

2. Неявнополюсний ротор, застосовуваний у двох- і чотирьохполюсних великих синхронних машинах. До них відносяться турбогенератори, установлювані на теплових і атомних електростанціях і приведені в обертання паровими або газовими турбінами зі швидкістю 3000 і 1500 об/хв.

Неявнополюсний ротор синхронної машини являє собою масивний сталевий циліндр, на частині поверхні якого уздовж його утворюючих фрезерують радіальні прямокутні пази. Інші частини поверхні циліндра утворюють вершини широких зубців по числу полюсів ротора. У пази його вставляють ізоляційні, коробки із пресованого міканіту П-Образного поперечного перерізу, а в них укладають сторони котушок обмотки збудження із плоских мідних шин з відповідною ізоляцією між витками. Обмотка збудження ротора виходить розподіленою в пазах, де її закріплюють металевими клинами профільного перетину, що забиваються в пази з торців циліндра. У результаті такого пристрою ротор машини виходить у вигляді циліндра без явних полюсів. Повітряний зазор між внутрішньою поверхнею статора й таким ротором виходить рівномірним по всьому колу.

Обмотка збудження ротора середніх і великих синхронних машин для створення магнітного поля харчується постійним струмом за посередництвом двох контактних кілець на валу або від стороннього джерела цього струму (мережі, батареї, збудника або іонного випрямляча) або при самозбудженні машини - від обмотки статора через випрямний пристрій. Для підведення струму до кілець на них установлюють нерухливі графітні щітки. У малих синхронних машинах порушення магнітного поля звичайно здійснюється за допомогою постійних магнітів. У цьому випадку ротор машини виконують або у вигляді явнополюсної зірочки з постійних магнітів, або ж циліндра з магнітного сплаву, намагніченого на відповідне число полюсів.