Синхронная машина переменного тока

Принцип действия и векторная диаграмма работы синхронного генератора.

Вращающееся магнитное поле, принцип действия синхронного двигателя,

характеристики

В основе работы лежит вращающееся магнитное поле. Если генератор, то вращается магнит (электромагнит), если это двигатель, то вращается магнитное поле.

Основными частями синхронной машины являются неподвижный статор и вращающийся ротор. На статоре расположена трехфазная обмотка (АВС)

Cинхронный генератор. Рассмотрим принцип действия. Три катушки, смещенные в пространстве на угол 120⁰ (рис. 8.5), помещают в ферромагнитную среду. Внутрь помещается магнит на оси, который приводится во вращение с угловой скоростью ω, тогда в обмотках на основании закона электромагнитной индукции начнут генерироваться ЭДС:

е_Ах = Е_m cosωt,

е_By = Е_m cos(ωt – 120⁰),

е_Cz = Е_m cos(ωt – 240⁰) = Е_m cos(ωt + 120⁰), смещенные по фазе на 120⁰. То есть, получили трехфазный генератор. На практике вместо магнита помещается электромагнит, причем на больших скоростях движения он выполняется в виде бочки (неявнополюсный) (как у асинхронных двигателей, см. ниже).

Рис.8.5. Синхронная машина

Если к генератору подключить нагрузку, соединенную в треугольник либо звезду, то в обмотках образуются система трехфазных токов (см. выше).

В целом любую фазу этого генератора можно представит эквивалентной схемой на рис. 8.4, а. Эта эквивалентная схема аналогична той, которая нами применялась для катушки со стальным сердечником. Отличие состоит в том, что ЭДС (Ė₀) является основным продуктом, поэтому ток имеет направление, как показано на рис.8.4,а. Здесь

х = х_рас + х_я индуктивное сопротивление фазной обмотки статора, называемое синхронным реактивным (индуктивным) сопротивлением. Оно состоит из реактивного сопротивления обмотки статора (х_я ) и реактивного сопротивления, создаваемого потокам рассеяния, замыкаемыми по воздуху (х_рас), r_в – активное сопротивление проводов обмотки статора.

В свою очередь этой эквивалентной схеме отвечает уравнение (для комплексов действующих значений)

Ė = Ú + İr_в + İjx.

Уравнению соответствует векторная диаграмма на рис. 8.6,б. Отметим, что система трех катушек при протекании тока создает собственное поле с одной парой полюсов.

Именно на таких генераторах базируется вся силовая энергетика. При работе генератора с сеть, он должен держать частоту тока (50 Гц), поэтому практически все парогенераторы вращаются с одной скоростью 3000 об/мин. Однако гидрогенераторы вследствие конструктивных и технических особенностей должны вращаться медленнее 24 об/мин и медленнее. Поэтому для получения той же частоты увеличивают число полюсов обмотки статора дополнительными триадами катушек (увеличивая этим число полюсов машины), та как частота тока ω = ω_врп, где п – число пар полюсов.

Рис. 8.6

Синхронный двигатель. Принцип действия его основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля и магнита (электромагнита).

На рис.8.7, а,б.в показан схематичный вид и обозначение синхронного двигателя.

А В С

в) + –

Рис.8.7 а – схематичный вид, б – электрическая схема,

в – условное обозначение.

Схема замещения фазы статора с питанием от источника, если не принимать во внимание активное сопротивление обмотки статора 8.8., векторная диаграмма – рис.8.9

Рис.8.8

Рис.8.9.

Заметьте, за счет сильного возбуждения обмотки ротора вектор (Ė₀) сильно увеличен, поэтому ток (İ) опережает напряжение. Промышленность выпускает синхронные двигатели с опережающим cosφ =0,9