7.1. Принцип действия синхронных машин

Рис. 7.1

Рассмотрим принцип действия синхронных машин на примере работы синхронного двигателя (рис. 7.1).

Пусть магнитная система машины состоит из двух постоянных магнитов: внешнего магнита 1, который имеет цилиндрическую форму и может вращаться вокруг продольной оси, и внутреннего магнита 2, который имеет форму усеченного цилиндра и способен вращаться вокруг той же оси O.

Внешний магнит действует на нижний магнит с механической силой притяжения в верхнем воздушном зазоре и в воздушном нижнем зазоре. При повороте внешнего магнита на некоторый угол внутренний магнит повернется на тот же угол в пространстве. Если внешний магнит вращать в пространстве с частотой , то ротор или внутренний магнит будет вращаться вокруг оси с той же частотой. Если вращению ротора препятствует некоторый механический момент, то положение внутреннего магнита относительно внешнего несколько изменится.

Рис. 7.2

Предположим, что точки приложения сил и находятся на его продольной оси симметрии. Если механический момент, препятствующий повороту ротора, равен нулю, то силы и направлены по линиям, проходящим через центр вращения O. Если же механический момент сопротивления вращению не равен нулю, то направление сил и изменится так, как показано на рис. 7.2.

Их линии действия уже не будут проходить через центр вращения 0 и создадут вращающий механический момент, равный сумме моментов сил

.

Этот механический момент, развиваемый рассматриваемой магнитной системой, будет равен моменту сопротивления или механическому моменту, препятствующему вращению ротора. Ротор будет вращаться с частотой вращения внешнего постоянного магнита .

Внешний постоянный магнит по отношению к ротору является источником вращающегося магнитного поля. Ранее при рассмотрении асинхронных двигателей уже доказано, что вращающееся магнитное поле может быть получено с помощью обмотки, расположенной в пазах статора и питаемой трехфазным током. Следовательно, для обеспечения работы синхронного двигателя необходимо иметь:

1. статор с обмоткой, питаемой многофазным током для образования вращающегося магнитного поля;

2. ротор в виде постоянного магнита или электромагнита с обмоткой, питаемой постоянным током;

3. корпус, обеспечивающий пространственное положение ротора относительно статора.

Таким образом, основными элементами трехфазного синхронного двигателя являются:

1. корпус;

2. магнитопровод статора с пазами для укладки обмотки;

3. трехфазная обмотка статора, по конструкции ничем не отличающаяся от обмотки статора асинхронного двигателя;

4. ротор с магнитопроводом, в пазы которого уложена обмотка, питаемая постоянным током. Ротор может быть с явновыраженными полюсами. В этом случае обмотка ротора представляет собой катушки с обмоткой.

Синхронные машины являются обратимыми. Такие машины могут работать в качестве преобразователей электрической энергии в механическую и в качестве преобразователей механической энергии в электрическую.

Рассмотрим процесс преобразования механической энергии в электрическую энергию. Пусть по обмотке ротора, рассмотренной выше синхронной машины, протекает постоянный ток. Намагничивающая сила этой обмотки создает магнитное поле, магнитный по­ток которого будет замыкаться по магнитопроводу статора. В пазах статора уложена трехфазная обмотка. При вращении ротора пото­косцепление обмоток каждой из трех фаз будет изменяться во вре­мени по синусоидальному закону, и в фазных обмотках будут на­водиться ЭДС синусоидальной формы, сдвинутые по фазе на треть периода. Частота электродвижущей силы отдельной фазной обмот­ки и её амплитуда будут пропорциональны частоте вращения ротора.

При подключении к статорной обмотке резисторов в них будет протекать ток. Ток обмотки статора создает свою намагничивающую силу и свою составляющую магнитного потока машины. Результирующее поле машины останется круговым вращающимся. Частота вращения магнитного поля будет равна частоте вращения ротора в пространстве.

С другой стороны, взаимодействие проводников с током статора с магнитным полем машины создаст механический момент сопротивления механизму, который приводит во вращение ротор. Таким образом, мы получили генератор трехфазного напряжения, преобразующий механическую энергию в электрическую.