Устройство и принцип действия синхронной машины.

<34 35 363738 39 40 >

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля статора и направлена в ту же сторону.

Наиболее наглядно принцип действия синхронной машины можно проиллюстрировать, модифицировав опыт Араго (рис. 3.1), и взяв вместо вращающегося магнита и диска два свободно вращающихся вокруг оси подковообразных магнита, и расположить их соосно (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Упрощенная модель синхронной машины (а) и положение полюсов при возникновении нагрузки на валу (б)

Тогда южный полюс одного магнита немедля установится напротив северного полюса второго, а северный полюс первого — напротив южного полюса другого. Если теперь привести во вращение один из магнитов со скоростью п_с, то второй будет вращаться с такой же точно скоростью п_с. Если к ведомому магниту приложить усилие М_с (момент сопротивления), то между полюсами возникнет усилие, оси полюсов несколько сместятся на некоторый угол θ, однако вращаться второй магнит будет с той же скоростью (рис. 4.3,б). В реальных машинах угол θ называют углом нагрузки.

В реальных синхронных машинах вращающееся магнитное поле создается трехфазным статором, который в принципе ничем не отличается от статора асинхронного двигателя. Ротор синхронной машины представляет собой для небольших машин постоянный магнит, для серийных машин — электромагнит, расположенный на валу машины (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Электромагнитная схема синхронной машины

На полюсах ротора располагается обмотка возбуждения, к которой в традиционных машинах постоянное напряжение подводится посредством скользящего токосъема — двух контактных колец, установленных на валу, и наложенных на них неподвижных щеток.

Важным отличием синхронной машины от асинхронной является то, что главный магнитный поток Ф в ней создается намагничивающей силой постоянного тока возбужденияI_В,который машина получает от отдельного источника постоянного напряжения U_B, т. е. в машине имеет место раздельное питание обмоток статора и ротора.

Статор синхронной машины1 (рис. 4.4.) выполнен, как отмечалось, аналогично статору асинхронной машины. На нем расположена многофазная (обычно трехфазная) обмотка 2. Ротор 3 расположен на валу и может быть двухполюсным, как на рис. 4.4, или многополюсным (например, четырехполюсным, как на рис. 4.5, или двенадцатиполюсным, как на рис. 4.6,б). Обмотка ротора4 состоит из одной или нескольких катушек, образующих многополюсную систему с тем же числом пар полюсов р, что и обмотка статора2. Обмотка ротора соединяется с внешним источником питания U_B посредством контактных колец, расположенных на валу, тщательно изолированных от вала и друг от друга, и неподвижных щеток.

Рис. 4.5. Конструкции роторов неявнополюсной (а)

и явнополюсной (б) машин

В зависимости от конструкции ротора различают неявнополюсные и явнополюсные синхронные машины. Неявнополюсные машины большой мощности имеют, как правило, два или четыре полюса и являются быстроходными машинами (рис. 4.5,а). Частота их вращения — 3000 или 1500 мин^-1. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Например, современные турбогенераторы для агрегатов теплоэлектрических и атомных станций выполняются неявнополюсной конструкции.

Сердечник неявнополюсного ротора представляет собой стальную массивную поковку (рис. 4.5,а и 4.6,а), в которой фрезеруют пазы и укладывают в них обмотку возбуждения 2 (рис. 4.5,а), укрепляя ее немагнитными клиньями. Поскольку на лобовые части обмотки возбуждения воздействуют значительные центробежные усилия, то их крепят при помощи специальных массивных стальных бандажей 4 (рис. 4.6,а). На валу устанавливают контактные кольца 5.

Для получения синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие обычно две трети полюсного деления.

А) б)

Рис. 4.6. Общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора (а)

и 12-полюсного ротора тихоходной машины (б):

а: 1 — вал;2 — вентилятор; 3 — бочка ротора;4 — стальной бандаж; 5 — контактные кольца;

б:1 — вал;2 — контактные кольца;3 — ступица ротора;4 — полюс; 5 — стержни пусковой (демпфирующей) обмотки; 6 — короткозамыкающие сегменты

Явнополюсный ротор (рис. 4.5,б) используют в тихоходных машинах. Обмотку возбуждения2 выполняют в этом случае в виде катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов 1 и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой электротехнической стали. Полюсным наконечникам придают такой профиль, чтобы воздушный зазор под серединой полюса и статором был бы минимальным, а по краям полюса — наибольшим. Это позволяет приблизить распределение кривой магнитной индукции в воздушном зазоре к синусоидальной.

На рис. 4.6,б представлен ротор тихоходной машины на частоту вращения

150 мин^-1. На валу 1 укрепляется ступица ротора 3, к которой крепят полюса 4. На валу устанавливают контактные кольца2. В полюсных наконечниках устанавливают стержни5 пусковой или демпфирующей обмотки, которые замыкаются накоротко сегментами 6. У двигателей сегменты соединяют друг с другом, образуя короткозамыкающее кольцо.

Пусковая обмотка подобна короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного двигателя. Она служит для обеспечения асинхронного пуска синхронного двигателя, а при колебаниях нагрузки на валу уменьшает амплитуду качаний ротора.

Подобную же обмотку применяют и для синхронных генераторов, где она называется демпферной или успокоительной обмоткой. Токи демпферной обмотки в установившемся режиме равны нулю. Она проявляет себя в переходных режимах синхронного генератора, обеспечивая быстрое затухание колебаний ротора. Кроме того, она ослабляет токи обратной последовательности при несимметричной нагрузке генератора и уменьшает пульсации магнитного потока, вызванные зубчатостью статора.

Для создания магнитного потока ротора на обмотку возбуждения подают напряжение возбуждения. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают синхронные машины с независимым возбуждением и самовозбуждением.

При независимом возбуждении в качестве источников питания используются электромеханические либо полупроводниковые преобразователи напряжения, чаще всего тиристорные возбудители с регулируемым напряжением. Для мощных машин в качестве возбудителя традиционно использовался отдельный агрегат, включавший генератор постоянного тока с приводным асинхронным двигателем. Наряду с этим используется схема возбуждения с генератором постоянного тока, расположенным на одном валу с синхронной машиной.

При вращении ротора со скоростьюп₂ в обмотке статора индуктируется ЭДС Е_и изменяющаяся с частотой

, (4.1)

где р — число пар полюсов машины.

При подключении обмотки статора к какой-либо нагрузке в ней проходит многофазный ток, который создает вращающееся магнитное поле статора. Частота вращения этого поля:

n₁ = (60ƒ₁)/p (4.2)

Из (4.1) и (4.2) следует, что n₁= n₂, т.е. магнитные поля статора, ротора и собственно ротор вращаются с одинаковой скоростью. Поэтому машину называют синхронной. В синхронной машине результирующий магнитный поток создается совместным действием намагничивающих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается с той же скоростью, что и ротор.

Часть электрической машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть якорем, поэтому в синхронной машине статор иногда называют якорем, а ротор — индуктором.

Синхронная машина, как и всякая электрическая машина, обратима: она может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. В качестве генератора машина может работать в автономном режиме, питая подключенную к ней нагрузку, а так же подключаться параллельно к сети, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. В результате взаимодействия поля ротора с вращающимся магнитным полем, создается электромагнитный момент, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а в генераторном — тормозящим.

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 ЭДСЕ₁, индуктируемой в обмотке статора, пропорциональна скорости вращения ротора;

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

Постоянство скорости вращения ротора синхронной машины обусловливает область ее применения: в качестве генераторов промышленной частоты на подстанциях или в дизель-генераторах, а в качестве двигателей в тех случаях, когда необходимо постоянство скорости вращения выходного вала машины.

<34 35 363738 39 40 >

Дата добавления: 2021-12-14; просмотров: 305;