Конструкция, назначение и области применения синхронных машин

Синхронной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора n находится в строгом соответствии с частотой сети :

.

На статоре синхронной машины располагается трехфазная обмотка переменного тока, называемая обмоткой якоря, а на роторе располагается обмотка постоянного тока, называемая обмоткой возбуждения. Существует две основных разновидности исполнения обмоток возбуждения: распределенные и сосредоточенные. Распределенные обмотки применяются при неявнополюсной конструкции ротора (рис. 5.1). В каждом пазу располагается только одна сторона катушки. Поэтому такая обмотка является однослойной. Число катушек на полюсном делении равно . Они соединяются последовательно, образуя полное число витков обмотки возбуждения

,

где - число витков в катушке.

Неявнополюсную конструкцию ротора имеют быстроходные синхронные машины с и . Частота вращения ротора таких машин при соответственно равна 3000 и 1500 . Для получения необходимой механической прочности неявнополюсные роторы выполняются из массивной стальной поковки.

В машинах с ротор имеет явнополюсную конструкцию (рис. 5.2). Обмотка возбуждения таких машин выполняется сосредоточенной в виде катушек (1) и размещается на сердечниках полюсов (2). Для закрепления катушек на полюсах используются полюсные наконечники (3). Все катушки соединяются последовательно, образуя полное число витков обмотки возбуждения

.

Для улучшения динамических свойств синхронной машины в полюсные наконечники помещают дополнительную короткозамкнутую обмотку (4), выполняемую аналогично короткозамкнутой обмотке асинхронной машины. Ее называют успокоительной или демпферной. Иногда роль демпферной обмотки выполняют массивные полюсные наконечники.

Основная область применения синхронных машин - энергетика, где они используются в качестве генераторов электрической энергии. В зависимости от типа привода синхронные генераторы делятся на турбогенераторы, гидрогенераторы и дизельные генераторы.

Турбогенераторы приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами. Это и обусловливает конструкцию турбогенераторов. Ротор турбогенератора имеет неявнополюсное исполнение (рис. 5.1) с горизонтальным расположением оси вращения. Предельный диаметр ротора по условию механической прочности составляет . Активная длина ротора достигает . Максимальная мощность, развиваемая такими турбогенераторами при , составляет 1200 мВт.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидротурбинами. В зависимости от напора воды и мощности турбины частота вращения гидрогенераторов колеблется в пределах от 50 до . Поэтому гидрогенераторы являются тихоходными машинами с числом пар полюсов

.

Для размещения такого числа полюсов приходится увеличивать диаметр ротора до при длине . Гидрогенераторы выполняются обычно с вертикальной осью вращения вала. Гидротурбина располагается под генератором. Максимальная мощность современных гидрогенераторов достигает 800 МВт.

Дизельные генераторы приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания. Они имеют сравнительно небольшую мощность (до 10 МВт) и используются для питания автономных потребителей. Дизельные генераторы имеют явнополюсную конструкцию ротора при числе полюсов и выполняются с горизонтальным расположением вала.

Наряду с генераторным режимом широко используется и двигательный режим синхронных машин, применяемых в качестве двигателей для привода мощных насосов, компрессоров, воздуходувок и других крупных установок.

Одним из основных достоинств синхронных машин является способность генерировать реактивную мощность. Существует даже специальный тип синхронных машин, предназначенных исключительно для генерирования реактивной мощности. Такие машины называются синхронными компенсаторами. Синхронные компенсаторы выпускаются на мощность от 15 до 160 при частотах вращения . Роторы таких машин имеют явнополюсное исполнение.