Лекція 13. Синхронні машини: будова, принцип дії, класифікація, області застосування. Асинхронний пуск синхронного двигуна

4.2. Синхронні машини

Синхронною називають електричну машину змінного струму у якої, незалежно від навантаження, частота обертання ротора n₂ строго пов’язана з частотою струму мережі (статорних обмоток) f₁ і кількістю пар полюсів р статора:

.

При промисловій частоті f₁ = 50 Гц , залежно від кількості пар полюсів статора частота обертання ротора машини може дорівнювати 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/хв. і т. ін.

На підприємствах харчової та переробної промисловості синхронні машини (СМ), в основному, працюють в режимі двигуна і тільки там, де є власні ТЕЦ, наприклад, на цукрових чи потужних спиртозаводах – в режимі генератора.

Синхронні двигуни (СД) використовують у потужних приводах робочих машин при сталому навантаженні, а також там, де незалежно від навантаження потрібно підтримувати строго задану частоту обертання вала робочої машини. Їх виготовляють потужністю від часток Вт до тисяч кВт для широких діапазонів синхронних швидкостей і напруг живлення.

Синхронні генератори (СГ) застосовують для виробництва змінного струму. Генератори, ротор яких приводиться у рух паровими чи газовими турбінами, називають турбогенераторами, а гідротурбінами – гідрогенераторами. Це, як правило, потужні машини. Так, потужність сучасних трифазних СГ сягає десятків – сотень тисяч кВт. Турбогенератори звичайно мають більшу частоту обертання (1500 чи 3000 об/хв.), а гідрогенератори меншу. Тут же наголосимо, що з поширенням випрямлячів малопотужні СГ суттєво потиснули позиції генераторів постійного струму ГПС у багатьох галузях господарства. Наприклад, якщо всього біля десятка років тому у системах автономного живлення на підприємствах і в побуті, для зарядки акумуляторів, а також у всіх типах автомобілів і т. ін., використовували ГПС, то зараз виключно СГ.

4.2.1. Будова трифазної синхронної машини.

Синхронна (СГ та СД), як і всі інші електричні машини, складається з двох основних частин: нерухомої частини (рис. 4.35) – статора 1 і рухомої – ротора 2. Будова статора СМ принципово не відрізняється від будови статора асинхронної машини. Він складається із станини в якій розташоване шихтоване осердя. У пази осердя укладені три обмотки зсунуті одна по відношенню до іншої на 120. Початки та кінці статорних обмоток виведені на щиток машини, розташований на зовнішній поверхні статора, де позначені, відповідно, у СГ – А, В, С та X, Y, Z, тобто як у трансформатора, у СД – C₁, C₂, C₃ та C₄, C₅, C₆, тобто як у асинхронного двигуна.

Ротор СМ являє собою електромагніт, який має таку ж кількість пар полюсів р₂ як і статор р₁ = р₂ = р. При роботі машини до обмотки ротора підводять постійний струм. За конструкцією ротор СМ може бути з неявно і з явновираженими полюсами. Звідси випливає поділення СМ на неявнополюсні і явнополюсні.

Ротор з неявновираженими полюсами (рис. 4.36, а) мають машини з частотою обертання 3000 об/хв. Він складається із стального валу 1 на якому розміщено циліндричне, набране із штампованих листів електротехнічної сталі (шихтоване) осердя 2.

Рис. 4.35. Синхронна машина

У поздовжніх пазах осердя, які охоплюють приблизно 2/3 його бокової поверхні, розміщена обмотка 3, виконана із мідного ізольованого проводу. Вільна від обмотки частина поверхні осердя – це полюси ротора. Таким чином, у роторі з неявновираженими полюсами, пара полюсів і осердя являють собою цільну конструкцію.

Рис. 4.36. Ротор з неявно (а) і явно (б) вираженими полюсами

Машини із частотою обертання 1500 об/хв. і менше мають ротори із явновираженими полюсами (4.36, б). Кожен полюс ротора тут являє собою окремий вузол (2 і 3 – відповідно, шихтоване осердя і обмотка полюсу, 4 – полюсний наконечник). Їх закріплюють на масивному ободі (ярмі) 5, через якій замикаються поля полюсів, розташованому на валу 1.

Вище було зазначено, що у робочому режимі до роторної обмотки (обмотки полюсів) СМ підводиться постійний струм. Оскільки, в результаті дії цього струму збуджується (індукується) магнітне поле ротора, то роторну обмотку СМ часто позивають обмоткою збудження, а джерело постійного струму – збуджувачем. Залежно від того, що і як використовується в якості збуджувача СМ можуть мати певні відміни у конструкції.

Так, у разі використання зовнішнього джерела постійного струму, наприклад випрямляча або генератора постійного струму (ГПС), початок і кінець роторної обмотки через два кільця, (розташовані на валу, ізольовані одне від одного і від валу) і щітки виводять на зовнішню поверхню корпусу статора машини і позначають, відповідно, И₁ та И₂. Таке позначення затискачів роторної обмотки обумовлено другою назвою ротора СМ – індуктор. Відразу зазначимо, що статор СМ також має другу назву. Його інколи називають якорем.

Є СМ з вбудованим збуджувачем. Тут збуджувач розміщений на валу машини і безпосередньо з’єднаний з роторною обмоткою. Розміщення збуджувача у самій машині призводить до збільшення її розмірів і ваги. Разом з тим, відсутність рухомих контактів дає можливість зменшити втрати енергії у колі ротора, підвищити ККД та надійність СМ.