Назначение и устройство синхронных машин

Синхронная машина СМ – машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора постоянна и не зависит от нагрузки. СМ обратима, т.е. она может работать и в режиме генератора, и в режиме двигателя.

В режиме генератора постоянную скорость должен поддерживать первичный двигатель независимо от электрической нагрузки. В режиме двигателя постоянная скорость поддерживается автоматически независимо от механической нагрузки на его валу.

Между частотой тока f и скоростью вращения ротора синхронного генератора СГ n₀ существует жесткая связь,  f = n₀ p/60, где p – число пар полюсов СГ, n₀ измеряется в оборотах в минуту. Для того, чтобы получить источник тока частотой f необходимо, чтобы первичный двигатель (ПД) вращал ротор СГ со скоростью n₀  = 60 f / p , т.е. с синхронной скоростью. Если f = 50 Гц, а p = 1, n₀ = 3000 об/мин; p = 2, n₀ = 1500 об/мин; p = 3, n₀ = 1000 об/мин и т.д. Эти же скорости при соответствующем числе пар полюсов развивает синхронный двигатель СД при включении его в сеть частотой 50 Гц.

Если асинхронная машина, как правило, используется в качестве двигателя, то синхронную машину применяют, главным образом, для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. в качестве генератора. Однако при необходимости  СМ используют и в режиме двигателя, и в качестве компенсаторов реактивной мощности.

Трехфазная СМ состоит из неподвижного статора (якоря) и вращающегося внутри него ротора (индуктора). Статор СМ вместе с обмотками аналогичен статору асинхронной машины. Трехфазная обмотка статора служит для создания вращающегося магнитного поля, если она включена в сеть для работы в режиме двигателя или является источником трехфазной ЭДС, если машина работает в режиме генератора.

Многие СМ имеют на роторе кроме обмотки возбуждения ОВ короткозамкнутую успокоительную обмотку. Эта обмотка способствует затуханию колебаний ротора при неустановившихся режимах работы СМ, а также обеспечивает асинхронный пуск синхронных двигателей.

Ротор представляет собой электромагнит, обмотка возбуждения которого питается постоянным током от независимого источника. Он может иметь явно выраженные полюсы (см. рис. 3.1, а) или быть неявнополюсным (см. рис. 3.1, б).

 

Рис. 3.1 Синхронная машина: а – основные конструктивные элементы и обмотки; б – неявнополюсный ротор; в – схема подключения обмотки возбуждения; г – условные графические обозначения.

Явнополюсные роторы имеют, например, синхронные генераторы, первичными двигателями для которых служат тихоходные гидротурбины со скоростями не более 1000 об/мин, а более прочный неявнополюсный ротор используется в быстроходных турбогенераторах со скоростями 1500 или 3000 оборотов в минуту.

Ротор и статор могут иметь несколько пар полюсов, но число пар полюсов должно быть одинаковым.

Ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает от сети постоянного тока через неподвижные щетки и контактные кольца, закрепленные на втулке изолятора и вращающиеся вместе с ротором (см. рис. 3.1, в).

Условное графическое обозначение СМ показано на рис. 3.1, г.

Работа синхронной машины в режиме генератора

Принцип действия

В режиме генератора обмотка возбуждения подключается через контактные кольца к источнику постоянного тока. В качестве источника применяется отдельный генератор постоянного или переменного тока, возбудитель, который подключается к обмотке возбуждения ОВ через управляемый выпрямитель. Возбудитель монтируется на одном валу с ротором генератора. Обмотка возбуждения может также питаться от сети переменного тока, подключенной к статору через управляемый выпрямитель.

Ротор генератора вместе с обмоткой возбуждения, создающей магнитное поле, приводится во вращение первичным двигателем [паровой или гидравли-ческой  турбиной,  дизелем и т.п.], с  постоянной  синхронной  скоростью  [об/мин],  где p-число пар полюсов. Для этого первичные двигатели оборудуются автоматическими регуляторами скорости.

При вращении ротора магнитное поле, создаваемое ОВ, наводит в неподвижных проводниках обмотки статора симметричную трехфазную систему ЭДС. e_a = E_m sin t; e_b = E_m sin( t - 120°); e_с = E_m sin( t + 120°). Этот трехфазный источник питания может индивидуально питать электрическую нагрузку или может быть подключен на параллельную работу с сетью.

Действующее значение фазной ЭДС как и в асинхронных машинах

                          E = E_m / = 4, 44 K_об f w₁Ф₀,  

где K_об – обмоточный коэффициент обмотки статора;

f – частота генерируемых ЭДС;

w₁ – число витков одной фазы обмотк ОВ. 

3.2.2.  Реакция якоря

Под нагрузкой в обмотках статора СГ возникает ток I , который создает свой магнитный поток Ф_я , совпадающий по фазе с током. Воздействие магнитного поля статора на магнитное поле машины называется реакцией якоря. Таким образом, образуется результирующее магнитное поле, которое может или ослабить, или усилить магнитное поле, создаваемое током в обмотке возбуждения.

Если разложить поток Ф_я  на две составляющие: вдоль основного магнитного потока  и перпендикулярной составляющей  . На рис. 3.2а представлена векторная диаграмма при активно-индуктивной нагрузке (ток I отстает от ЭДС на угол  ) и активно-емкостной нагрузке (рис. 3.2б).

В первом случае при R-L нагрузке продольная составляющая  ослабляет результирующий магнитный поток и ЭДС машины. При нагрузке R-C ток I опережает ЭДС на угол , а продольная составляющая совпадает по направлению с основным магнитным потоком Ф, что вызывает увеличение результирующего магнитного потока и, соответственно, ЭДС генератора.

В первом случае при R-L нагрузке продольная составляющая  ослабляет результирующий магнитный поток и ЭДС машины. При нагрузке R-C ток I опережает ЭДС на угол , а продольная составляющая совпадает по направлению с основным магнитным потоком Ф, что вызывает увеличение результирующего магнитного потока и, соответственно, ЭДС генератора.

Рис. 3.2 Векторные диаграммы магнитных потоков: а- при RL нагрузке;

б- при RC нагрузке

Поперечная составляющая  в обоих случаях приводит к искажению магнитного поля, ослабляя основной магнитный поток под одним краем полюса и увеличивая его под другим. В обоих случаях результирующий магнитный поток Ф под влиянием  уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС СГ.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: