5. Синхронні електричні машини

Синхронною електричною машиною називається машина, у якій швидкість обертання ротора дорівнює швидкості обертання магніт­ного поля статора.

Синхронна електрична машина має зворотний принцип дії, тобто вона може використовуватися і як двигун, і як генератор.

Основними складовими частинами синхронної електричної машини є нерухома частина - - статор та обертова частина -ротор.

Статор синхронної електричної машини конструктивно не відрізняється від статора асинхронної машини.

За конструкцією ротори синхронних машин, які є електро­магнітами, бувають двох типів: а) ротори з явно вираженими полюсами; б) ротори з неявне вираженими полюсами.

Н а роторі синхронної машини розміщена обмотка збудження, яка за допомогою контактних кілець та щіток, накладених на них, з'єднана з стороннім джерелом постійного струму. Джерелом постійного струму може бути генератор постійного струму або джерело змінного струму, підключене до обмотки збудження че­рез відповідний випрямляч. Таке стороннє джерело називається збудником.

Синхронні двигуни найчастіше використовуються у тих випад­ках, коли необхідна стабільна швидкість обертання: великі венти­лятори, центробіжпі насоси, генератори постійного струму тощо.

Швидкість обертання ротора, яка дорівнює швидкості обертово­го магнітного поля, визначається за формулою:

де f — частота напруги мережі (для двигуна) або частота електро­рушійної сили (для генератора); р — кількість пар полюсів елек­тричної машини.

Величина діючого значення електрорушійної сили, яка індуку­ється в одній фазі статора у режимі холостого ходу дорівнює:

де kоб1 - - обмотковий коефіцієнт, який враховує конструктивні особливості обмотки статора; w1 -- кількість витків однієї фази статора, які підключені послідовно; Фx — магнітний потік, ство­рюваний обмоткою збудження ротора.

При роботі трифазної синхронної машини у ролі трифазного генератора останній утворює потужність, яку віддає навантажен­ню. Якщо навантаження симетричне, то потужність, яку трифаз­ний генератор віддає цьому навантаженню, визначається за фор­мулою:

де I — фазний струм генератора; U — фазна напруга генератора; соsф — коефіцієнт потужності.

Рівняння балансу потужностей трифазного генератора записуєть­ся так:

де Р_см — електромагнітна потужність; Р_{с т} — електрична потужність витрат в обмотці статора; R -- активний опір фаз обмотки ста­тора.

Обертовий момент генератора описується співвідношенням:

де w — кутова швидкість обертання ротора генератора.

Коефіцієнтом корисної дії генератора змінного струму на­зивається відношення корисної потужності PГ, яку віддає генера­тор навантаженню, до потужності РД, яка підводиться до генера­тора від двигуна.

Коефіцієнт корисної дії генератора визначається за формулою:

Відношення корисної потужності на валу синхронного елект­ричного двигуна РВД до поутжності РСДМ, яку споживає електрод­вигун від електричної мережі, називається коефіцієнтом корисної дії синхронного електродвигуна змінного струшу ηДЗС:

Синхронні генератори мають:

а) зовнішню характеристику, що характеризує залежність на­пруги на затискачах генератора від струму навантаження (актив­ного або реактивного), якщо швидкість обертання ротора та струм збудження є сталими величинами. Тобто U = f(I_н) при п=const, Iзбудж=const;

б) регулювальну характеристику, яка показує, як необхідно змінити силу струму в обмотці збудження, щоб у ви­падку зміни навантаження генератора напруга на його затиска­чах і швидкість обертання ротора були сталими величинами. Тобто Iзбудж = f(IН) при U = const, п = const.