VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Устройство и принцип действия синхронной машины

Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода машины большой мощности выполняют с неподвижным якорем (рис.1,а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3..3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец особых затруднений не вызывает. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. В обращенной синхронной машине с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис.1,б) нагрузка подключается к обмотке посредством трех колец.

Рис. 1. Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным (а) и вращающимся (б) якорем: 1 — якорь; 2 —обмотка якоря; 3 — полюсы индуктора; 4 — обмотка возбуждения.

Рис. 2. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б)

Статор 1 синхронной машины (рис.3,а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения и представляет собой электромагнит, к обмотке которого подводится постоянный ток через два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца, насаженных на вал ротора, и неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам.

По конструкции ротора синхронные машины подразделяют на неявнополюсные и явнополюсные.

Явнополюсный ротор используют в машине с четырьмя полюсами и более. Обмотка возбуждения питается постоянным током от генератора постоянного тока, называемого возбудителем, который обычно соединен жестко с валом синхронной машины, или от выпрямительной установки.

Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис.3,б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n2 поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

f1 = pn2/60. (1)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток Iа создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n1 = 60f1/p = 60pn/(60p) = n2. (2)

Из (1) и (2) следует, что n1=n2, т.е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_рез синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис.3) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия в теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность.

При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой I1 проходящий по обмотке ток создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (2). В результате взаимодействия этого поля с током Iв, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме — тормозным. В рассматриваемой машине (в отличие от асинхронной) поток возбуждения холостого хода создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения n1=n2 независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. n2 = n1;

б) частота изменения ЭДС E, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индуцируется; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.

Питание обмотки возбуждения.

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения.

При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис.2,а), либо отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель — обычно полупроводниковый (рис.2,б).

Рис. 2. Схемы возбуждения синхронной машины: 1 — обмотка якоря; 2 — ротор генератора; 3 — обмотка возбуждения; 4 — кольца; 5 — щетки; 6 — регулятор напряжения; 7—возбудитель; 8 — выпрямитель; 9—обмотка якоря возбудителя; 10 — ротор возбудителя; 11 — обмотка возбуждения возбудителя; 12 — подвозбудитель; 13 — обмотка возбуждения подвозбудителя

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудителъ — небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. Основным возбудителем в этом случае может служить синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. Регулирование тока возбуждения Iв осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, однако в машинах небольшой мощности применяется регулировка и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.

При самовозбуждении ротор синхронной машины может вращаться синхронно с магнитным полем статора (синхронное возбуждение) или асинхронно с ним (асинхронное возбуждение).

Назначение

Главным образом их используют в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.

Синхронные машины используют в качестве как генераторов, так и двигателей. Мощность современных синхронных трехфазных генераторов, применяемых на электростанциях, составляет десятки, сотни тысяч, а в некоторых случаях 1 млн. кВА и более.

Синхронные двигатели обычно бывают большой мощности, иногда применяют синхронные микродвигатели в устройствах, требующих поддержания строгого постоянства частоты вращения, например для привода вводных и выводных устройств электронно-вычислительных машин, а также различных устройств автоматики, измерительной техники и т.

Синхронные машины также используют в качестве синхронных компенсаторов, т. е. машин, работающих в режиме холостого хода и отдающих в сеть реактивную мощность. Синхронные компенсаторы служат для повышения коэффициента мощности (соsφ) электрических установок промышленных предприятий и стабилизации напряжения в электрических сетях, ибо перевозбужденная синхронная машина в режиме холостого хода по отношению к сети эквивалентна конденсатору. Недовозбужденная синхронная машина, работающая вхолостую, по отношению к сети эквивалентна индуктивности. Можно менять реактивную мощность изменяя ток возбуждения синхронной машины, отдаваемую синхронным компенсатором в сеть или потребляемую им из сети. Поэтому, изменяя реактивный ток, можно изменять потерю напряжения в сети, к которой присоединен компенсатор, т. е. производить стабилизацию напряжения сети.

Синхронные машины, используемые в качестве генераторов, соединяют жестко непосредственно с первичными двигателями, приводящими во вращение генераторы на электростанциях, т. е. с паровыми и газовыми турбинами, гидротурбинами. Генераторы, соединяемые с паровыми или газовыми турбинами, получили название турбогенераторов, а с гидротурбинами - гидрогенераторов. Турбогенераторы обычно имеют большую частоту вращения (1500-3000 об/мин), частота вращения гидрогенераторов меньшая.

Основной недостаток

Щёточно-коллекторный узел — узел электрической машины, обеспечивающий электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору). Щёточно-коллекторный узел является одной из наименее надёжных частей электрических машин, поскольку скользящие контакты интенсивно изнашиваются от трения. Для профессионального электроинструмента щётки являются расходным материалом. По этой причине с точки зрения надёжности предпочтительны двигатели без щёточно-коллекторного узла — вентильный электродвигатель и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Также в современных синхронных генераторах применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис.2,в). При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения.

Список литературы

1. Кислицын А.Л. Синхронные машины: Учебное пособие по курсу «Электромеханика» 2000 г.

2. http://remont220.ru/sinkhronnyye-mashiny.php

3. http://esis-kgeu.ru/elements/755-elements

4. http://toe.stf.mrsu.ru/demo_versia/Book/part/part4/glava13_1.htm

5. http://wiki-linki.ru/Page/1099375

Код для цитирования: Скопировать