Конструкция синхронных машин

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН. ХОЛОСТОЙ ХОД СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Общие сведения

Синхронные машины широко применяются в качестве генераторов электрической энергии. На всех электрических станциях в качестве источников переменного тока используются синхронные генераторы. Мощность их колеблется от нескольких киловатт для автономных установок до нескольких сотен тысяч киловатт для крупных электростанций. Находят также применение синхронные двигатели, которые используются в крупных компрессорах, двигатель-генераторных установках. Наряду с крупными двигателями широко выпускаются синхронные микродвигатели различных типов мощностью от долей до нескольких сотен ватт.

Синхронные двигатели, работающие без нагрузки на валу, используют в качестве источника реактивной мощности. Синхронная машина, работающая в таком режиме, носит название синхронного компенсатора. Синхронные компенсаторы находят практическое применение для улучшения cos φ сети.

Устройство и принцип действия синхронной машины

Синхронная машина имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка называется обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. В обмотке якоря индуцируется основная ЭДС машины. Наибольшее распространение в синхронных машинах имеют трехфазные обмотки якоря.

В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения — на роторе (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Электромагнитная схема синхронной машины: 1 –статор; 2 – полюсы ротора; 3 – трёхфазная обмотка якоря (статора); 4 – обмотка возбуждения; 5 – контактные кольца

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то полюсы создадут постоянное магнитное поле чередующейся полярности. При вращении полюсов, а следовательно и поля относительно проводников обмотки якоря в них будет индуцироваться переменная ЭДС, причем ЭДС отдельных проводников фазы суммируются. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуцироваться трехфазная система фазных ЭДС. Частота этой ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п_р:

f = p п_р /60. (1.1)

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определённой зависимости между собой. Так, для получения стандартной частоты f =50 Гц при р=1нужно иметь частоту вращения п_р = 3000 об/мин, а при р=24 п_р = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора присоединить нагрузку, то возникший ток создаст вращающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля

п_п= 60 f /р. (1.2)

Заменяя в (1.2) частоту ее значением из (1.1), получаем

п_п = п_р.

Характерной особенностью синхронной машины, обусловившей её название, является равенство частот вращения ротора и поля якоря.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка статора присоединяется к трехфазной сети, при этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения п_п. Это поле, взаимодействуя с полем полюсовротора, создает вращающий момент. Чтобы при взаимодействии полей момент имел одно и то же направление, они должны быть неподвижными относительно друг друга. Это будет в том случае, если ротор, а следовательно, и его магнитное поле будут вращаться с частотой вращения п_п.Поэтому в синхронном двигателе ротор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения поля.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности:

– ротор машины в двигательном и в генераторном режимах вращается с постоянной скоростью, равной скорости вращения магнитного поля;

– частота изменения ЭДС, индуктируемая в обмотке статора, пропорциональна скорости вращения ротора;

– в обмотке ротора ЭДС не индуктируется, а магнитное поле создаётся постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Конструкция синхронных машин

Статор синхронной машины выполнен аналогично статору асинхронной машины. Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра располагаются пазы для укладки обмотки якоря. При внешнем диаметре менее 1 м сердечник собирают из цельных кольцевых пластин, а при большем диаметре каждое кольцо составляют из отдельных пластин называемых сегментами.

Рис. 1.2. Статор синхронной машины: 1 – сердечник статора с пазами; 2 – обмотка статора; 3 – корпус

Сердечник размещают в станине (корпусе) статора. В пазы статора укладывают обмотки. Статор синхронной машины в собранном виде показан на рис. 1.2.

Повыполнению ротора синхронные машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные.

Рис. 1.3. Конструкции роторов неявнополюсной (а) и явнополюсной машин (б)