58) Синхронные электрические машины. Устройство и принцип действия

а) Общие сведения

Синхронные электрические машины характерны тем, что у них ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмот­ках статора, подобного статору асинхронной машины. Это достига­ется тем, что ротор синхронной машины представляет собой обычно электромагнит или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимо­действие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную угловую скорость последнего независимо от момента на валу. Это свойство синхронных машин позволяет исполь­зовать их в качестве двигателей для привода механизмов с постоян­ной угловой скоростью. Распространенность синхронных двигателей не столь широка, как асинхронных, но в ряде случаев, например в металлургии, их использование становится необходимым. Единич­ная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает нескольких десятков мегаватт.

Основной областью применения синхронных машин является использование их в качестве промышленных генераторов для выра­ботки электрической энергии на электростанциях.

б) Устройство синхронной машины

Основными частями синхронной машины являются статор и ро­тор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины рис. 14.1). Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укреплен внутри мас­сивного корпуса. В пазах с внутренней стороны статора размещена обмотка переменного тока, в большинстве случаев трехфазная.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит — явнополюсный (рис. 15.1, где / — полюсы, 2— полюсные катушки, 3 — сердечник ротора, 4 — кон­тактные кольца) или неявнополюсный (рис. 15.2, где / — сердечник ротора, 2 — пазы с обмоткой, 3 — контактные кольца). Ток в обмот­ку ротора поступает через контакт­ные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока — воз­будителя.

У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полю­сов, а токи в обмотке статора обра­зуют тоже р пар полюсов вращаю­щегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой враще­ния поля, следовательно, его синхронная частота вращения равна_:

п = 60f/р.

П ри стандартной промышленной частоте 50 Гц максимальная частота вращения, соответствующая двухполюсной (р = 1) машине, будет 3000 об/мин. Это частота враще­ния современного турбоагрегата, со­стоящего из первичного двигателя — паровой турбины и неявнополюсного синхронного генератора (турбогенерато­ра).

У гидроагрегата гидравлическая тур­бина вращается относительно медленно. Это вынуждает изготовлять гидрогене­раторы многополюсными с явными по­люсами и в большинстве случаев — вертикальным валом. Частота вращения этих генераторов — от 60 до нескольких сотен оборотов в минуту, чему соответствует несколько десятков пар полюсов. Вслед­ствие относительно малых частот вращения генераторы к гидрав­лическим турбинам имеют значительно большую массу на единицу мощности — свыше 8 кг/ (кВ-А), чем генераторы к паровым турби­нам— менее 2,5 кг/(кВ-А).

в) Режимы работы синхронной машины

Любая синхронная машина, включенная в электрическую си­стему, может' работать в режиме генератора и двигателя. Режим ра­боты синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине, так же как и в асинхронной, магнитное поле (см. § 14.3), вращаю­щееся с угловой скоростью со. Приближенное распределение маг­нитных линий вращающегося магнитного поля в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора (а) и двигателя (б) пока­зано на рис. 15.3 штриховой линией. Распределение линий вра­щающегося магнитного поля показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью <о пары полю­сов, расположенных на статоре.

А налогичным образом магнитное поле, создаваемое током в об­мотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.

Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.

Для того чтобы заставить синхронную машину, включенную в систему, работать в режиме генератора, отдавая в эту систему энер­гию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возрос­шего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повер­нется на некоторый угол у относительно оси полюсов статора в на­правлении вращения (рис. 15.3, а). Так как при этом результирую­щее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создает тормозной момент, действующий на ротор. Это и озна­чает преобразование механической мощности первичного двигателя в электрическую мощность генератора, включенного в систему. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные по­люсы статора.

Если теперь приложить к валу машины вместо вращающего тор­мозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора по­вернется на некоторый угол относительно оси полюсов статора про­тив направления вращения (рис. 15.3,6). Вновь возникнут токи в обмотках статора и создадут электромагнитные силы взаимодей­ствия токов статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Элек­тромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посред­стве которого электрическая энергия сети преобразуется в механиче­скую на валу машины; таким путем синхронная машина переходит? в режим двигателя.

Режим работы синхронной машины изменяется от генераторного на двигательный и обратно в зависимости от механического воздей­ствия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.