11. Синхронные машины

11.1. Устройство и принцип работы синхронной машины

11.1.1. Как и все электрические машины, синхронная машина обра­тима и может широко использоваться в промышленности как генератор и двигатель преимущественно большой мощности. Синхронные маши­ны относятся к классу машин трехфазного переменного тока. Частота вращения ротора синхронной машины равна частоте вращающегося маг­нитного поля, т. е. n = п₂, S= 0.

Конструкция статора принципиально не отличается от конструкции ста­тора асинхронного двигателя, т. е. в шихто­ванном сердечнике расположена трехфаз­ная обмотка статора. Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит, обмотка которого питается от источника по­стоянного тока. Ротор синхронной машины бывает двух типов: явнополюсный; неявнополюсный. Явнополюсный ротор (рис. 11.1) исполь­зуется большей частью в тихоходных син­хронных машинах. Обмотка ротора присо­единяется к контактным кольцам и с помо­щью щеток на нее подается постоянное напряжение. В машинах с большой скоро­стью вращения (турбогенераторах, газогенераторах) применяется неявнополюсный ротор. На рис. 11.2 приведена схема неявнополюсного ротора с. одной парой полю­сов.

2. Синхронная машина состоит из статора и ротора (рис. 11.1)

В многополюсных роторах полюсы че­редуются по кругу. Обмотка ротора возбуж­дает постоянный магнитный поток и называется обмоткой возбуждения.

11.1.3. В генераторном режиме обмотка возбуждения включается на постоянное напряжение. Магнитное поле ротора вращается вместе с ротором и пересекает трехфазную обмотку статора. В фазах индуциру­ется ЭДС

где w — число витков;

к — обмоточный коэффициент.

Частота индуцированной ЭДС

11.1.4.В режиме двигателя, кроме постоянного напряжения, пода­ваемого на обмотку возбуждения, подается также трехфазное синусои­дальное напряжение на обмотку статора. Обмотка возбуждает враща­ющееся магнитное поле, которое захватывает в синхронном вращении поле ротора и сам ротор. Иначе говоря, ротор вращается с частотой вра­щения магнитного поля

11.2. Холостой ход синхронного генератора

11.2.1. Холостой ход (или нерабочий режим) осуществляется при от­ключенной нагрузке. Ток статора в этом случае равен нулю. Ток возбуждения регулируется внешним источником в широких пределах.

Ха­рактеристика нерабочего (холостого) хода (рис. 11.3) представляет собой магнитную характеристику системы и напоминает кривую намагничивания.

11.2.2. Форма ЭДС статорной обмотки зависит от формы магнитного потока в цепи статора. Специальной формой полюсных наконечников можно получить синусоидальную ЭДС статорной обмотки.

11.3. Реакция якоря синхронной машины

11.3.1. Та часть электрической машины, которая индуцирует ЭДС, называется якорем. Поэтому в синхронной машине якорем называет­ся статор машины. Индуктором будем называть ротор синхронной машины. Реакцией якоря называется влияние магнитного потока якоря на поток индуктора.

11.3.2. В синхронном генераторе ток якоря (статора) возбуждает свое магнитное поле, которое зависит от нагрузки. От вида нагрузки зависит сдвиг фаз между током и ЭДС якоря. Нужно иметь в виду, что

поток якоря всегда совпадает с направлением тока якоря;

ЭДС якоря всегда отстает от потока на 90°;

сдвиг фаз между ЭДС и током якоря зависит от вида нагрузки.

Поэтому при активной нагрузке ЭДС и ток якоря совпадают по фазе, т. е. поток яко­ря отстает от потока возбуждения на 90° (рис. 11.4). В этом случае мы имеем попе­речную реакцию якоря. При индуктивной нагрузке ток якоря отстает от ЭДС на 90°. Если ЭДС отстает на 90° от потока возбуж­дения, то поток якоря направлен навстре­чу потоку возбуждения.

При индуктивной нагрузке в результате реакции якоря ослабевает поток возбуждения. При емкостной нагрузке потоки направлены в одну сторону, т. е. при емкостной нагрузке в результате реакции якоря усиливается поток возбуждения.

11.3.3. Таким образом, реакция якоря может: быть поперечной (активная нагрузка); ослаблять поле (индуктивная нагрузка); усиливать поле (емкостная нагрузка).