Синхронные машины. Общая характеристика

Синхронные машины (СМ) - это машины переменного тока. Они могут работать как двигатели или генераторы в зависимости от момента на валу. Они имеют следующие основные особенности:

1) Их частота вращения постоянна и равна частоте вращения магнитного поля асинхронных двигателей (см. п. 2):

(об/мин), (4.1)

где f – частота напряжения сети, к которой подключена СМ, р – число пар полюсов СМ, 60 - число секунд в минуте.

Исключение составляют синхронные генераторы (СГ), работающие автономно, без параллельного подключения к другим источникам переменного напряжения (например, генераторы, питающие бортовые сети автомобилей). Частота вращения таких СГ определяется частотой вращения первичных двигателей, но она также связана с частотой напряжения формулой (4.1).

2) Сдвиг фаз между напряжением и током СМ можно регулировать, изменяя ток возбуждения. Это очень ценное качество позволяет использовать СМ не только по прямому назначению, но еще и для компенсации реактивного тока потребителей электроэнергии (для повышения cosj, см. п. 14).

Назначение. СГ вырабатывают электроэнергию на электростанциях - это самая важная область применения СМ. В последнее время СГ малой мощности используют для питания бортовых сетей транспортных средств, так как они проще, дешевле и надежнее, чем генераторы постоянного тока. При этом постоянное напряжение, нужное для бортовой сети, получают из синусоидального напряжения генератора с помощью выпрямителя. СГ используют также в передвижных дизельных электростанциях.

По сравнению с асинхронными двигателями синхронные двигатели (СД) обладают меньшими габаритами и массой и большим к.п.д.

Однако, для питания обмотки возбуждения им нужен дополнительный источник постоянного напряжения. Конструкция и пуск СД сложнее, чем у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Пусковой момент СД меньше, чем у асинхронного двигателя с фазным ротором.

Поэтому СД в основном применяются в очень мощных электроприводах с редкими пусками. СД используют также там, где нужна строго постоянная частота вращения. Иногда мощные СД применяют только как компенсаторы реактивного тока, без нагрузки на валу.

Устройство. Статор СМ устроен так же, как статор асинхронного двигателя (рис. 4.1). Сердечник статора - это пустотелый стальной цилиндр. Для подавления вихревых токов он набран из отдельных колец листовой электротехнической стали. На его внутренней поверхности имеются пазы, в которых уложена трехфазная обмотка из медного провода.

Рис. 4.1. СМ с неявно- полюсным ротором в разрезе (схематический рисунок).

Ротор СМ – это электромагнит, обмотки которого питаются постоянным током возбуждения через контактные кольца и щетки. У маломощных СМ в качестве роторов используют постоянные магниты. Ротор реактивного СД - это просто зубчатый стальной цилиндр.

Ротор СМ имеет столько же пар полюсов, сколько статор. Роторы СМ бывают явнополюсными и неявнополюсными. У явнополюсных роторов каждый полюс выполняется отдельно и имеет свою обмотку, у неявнополюсных полюса образуются за счет распределения обмотки в пазах цилиндрического сердечника.

Сердечники роторов также набираются из отдельных стальных пластин, но более толстых, чем пластины статора, так как магнитное поле в роторе изменяется мало. Обмотки роторов делают из медного провода.

СМ делают так, чтобы магнитное поле вдоль зазора машины было синусоидальным. При этом вдоль зазора укладывается р периодов поля, где р – число пар полюсов машины (рис. 4.3).

Рис. 4.2. Сдвиг между осями магнитных полей ротора и статора СМ на угол q.

Принцип действия. Разноименные полюса магнитов притягиваются – это явление создает вращающий момент СД или момент сопротивления СГ. Полюса ротора притягиваются к вращающимся полюсам статора, поэтому ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора (синхронно, отсюда и название машины).

Вращающееся магнитное поле ротора наводит в неподвижной трехфазной обмотке статора синусоидальные ЭДС, которые создают трехфазное напряжение СГ или компенсируют часть трехфазного напряжения питания СД.

ЭДС, наводимую в одной фазе статора полем ротора, мы обозначим . Согласно закону электромагнитной индукции, пропорциональна магнитному полю ротора и частоте его вращения. В свою очередь, поле ротора пропорционально току возбуждения, поэтому:

, (4.2)

где k – коэффициент, зависящий от конструкции машины, n – частота вращения, – ток возбуждения.

Если момент на валу машины равен нулю, то полюса ротора располагаются точно напротив полюсов поля статора.

Если на валу действует внешний вращающий (у СГ) или внешний тормозной (у СД) момент, то полюса ротора сдвигаются относительно полюсов статора на угол , где р – число пар полюсов СМ, q – сдвиг фаз между напряжением фазы статора и ЭДС фазы статора .

При этом получается, что у генератора ротор повернут относительно поля статора в сторону вращения (ротор как бы тащит за собой поле статора, совершая над ним работу), а у двигателя – противоположно вращению (поле статора приводит в движение ротор).

Магнитное поле ротора – это основное поле машины, оно еще называется полем возбуждения, оно создается током возбуждения обмотки ротора. Магнитное поле статора складывается из поля ротора и поля, создаваемого током обмотки статора.

Дополнительные пояснения.

Рис. 4.3. Изменение магнитного поля вдоль зазора СМ с двумя парами полюсов.

Рассмотрим подробнее сказанное про угол q. Все рассуждения будем вести относительно одной фазы трехфазной обмотки статора. Обозначим через ЭДС, наводимую в фазе обмотке статора вращающимся полем статора.

Если пренебречь малым активным сопротивлением фазы обмотки статора, то согласно закону электромагнитной индукции, . Поэтому сдвиг фаз q между и – это сдвиг фаз между и . Но сдвиг фаз между и равен сдвигу фаз между волнами магнитного поля ротора и магнитного поля статора, бегущими вдоль зазора машины, потому что эти ЭДС возникают вследствие движения магнитных полей. Так как один период изменения магнитного поля вдоль зазора занимает пространственный угол , то фазовому сдвигу синусоид q соответствует пространственный угол сдвига осей магнитных полей ротора и статора (рис. 4.3).