Синхронные машины. Способы возбуждения и устройство синхронных машин Система возбуждения синхронного двигателя

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.1, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r 1) и подвозбудителя (r 2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности -- турбогенераторах -- иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 1.1.

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 1.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) -- генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 1.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 1.2.

На рис. 1.2, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Наиболее распространена система возбуждения генератора с помощью генератора постоянного тока, расположенного на одной оси с синхронным генератором (рис. 8.8).

Генератор постоянного тока работает обычно в режиме самовозбуждения с обмоткой возбуждения, включенной параллельно с обмоткой якоря. Напряжение с зажимов генератора постоянного тока через контактные кольца K 1 и K 2 подается на обмотку возбуждения генератора.

Для возбуждения генераторов большой мощности монтируют возбудитель переменного трехфазного тока и трехфазный выпрямитель (рис. 8.9).

В этом случае трехфазная обмотка возбудителя расположена на вращающейся части возбуждаемого генератора. На той же части смонтирован трехфазный выпрямитель. Достаточно просто запитывать якорь главного генератора. Якорь возбудителя может получать питание от внешнего источника постоянного тока или от дополнительного возбудителя постоянного тока, смонтированного на той же оси.

Для возбуждения трехфазного генератора может быть использован принцип самовозбуждения (рис. 8.10). Условия самовозбуждения генератора такие же, как и у генераторов постоянного тока.

Постоянный ток возбуждения получают от трансформатора возбуждения, так как в большинстве случаев напряжение возбуждения меньше напряжения сети и выпрямителя. Для регулирования тока возбуждения используют резистор возбуждения . Для поддержания постоянным напряжения генератора возбуждение может использоваться в электронных установках автоматического регулирования тока возбуждения.

Заключение

Основной целью написания пособия явилось изложение ма­териала теории и практики эксплуатации электромеханических устройств простым доступным языком без потери информативности содержания. Изучение физических основ функционирования электрических машин является солидной основой для понимания принципов построения других электромеханических устройств, которые используются на предприятиях различного профиля.

Бурное развитие новых технологий ставит перед производством ряд сложных научных и технологических проблем. В решении этих задач ключевая роль принадлежит энергетике. В условиях научно-технической революции темпы развития машиностроительного комплекса и, в частности, электромашиностроения во многом определяют технический прогресс в области энергетики, топливной промышленности, транспорта и связи, металлургии, станкостроения и приборо­строения, строительства, агропромышленного комплекса и др.

В настоящем учебном пособии изложены основы теории, особенности конструкции и режимы работы основных типов электрических машин, применяемых в промышленности. При этом отмечены современные тенденции развития этих машин, направ­ленные на повышение их надежности, энергетических пока­зателей, улучшения характеристик.

В целом, в настоящее время в развитии отечественного электромашиностроения наблюдаются следующие тенденции:

Улучшение конструкций магнитных систем, обмоток и систем охлаждения с целью снижения массы, габаритных размеров машин, потерь энергии в них; увеличение единичной мощности машин, частоты вращения и номинального напряжения, повышение надежности путем улучшения качества изоляции обмоток, устранения по возможности щеточных контактов и улучшения коммутации в коллекторных машинах; создание новых схем электрических машин, сочетающих в себе электромагнитную систему с элементами полупроводни­ковой техники (диодами, тиристорами, транзисторами), для по­вышения надежности, улучшения характеристик и расширения диапазона регулирования выходных параметров (тока, напряже­ния, частоты вращения и др.), создание линейных электродвигателей и двигателей возврат­но-поступатель­ного движения;

Разработка более технологичных конструкций машин малой и средней мощности и микромашин, приспособленных для массового и серийного производства; усовершенствование методов расчета электрических машин на основе применения ЭВМ, физического и математического моделирования; широкое применение стандартизации для основных пара­метров машин, элементов их конструкции, установочных раз­меров, способов охлаждения, защиты от воздействия внешней среды.

В решении поставленных задач ведущая роль принадлежит работникам отраслевых научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов. Существенную помощь работникам электро­промышленности оказывают также ученые и преподаватели высших учебных заведений.

Электрические машины, применяемые в схемах автоматики и теле­механики, весьма разнообразны по устройству, принципу действия, по функциям, которые они выполняют в различных, порой сильно отличающихся друг от друга автоматических схемах управления, регулирования и контроля.

В одной ограниченной по объему учеб­ными планами вузов книге практически невозможно дать описание всех применяемых элек­трических машин. Именно поэтому авторы данного пособия не ста­вили перед собой такой задачи, ограничившись лишь описанием устройства, принципа действия, основ теории и основных характе­ристик электрических машин, получивших наиболее широкое при­менение.

При желании более глубоко познакомиться с электрическими машинами, представленными в данном учебном пособии, конспективно, чи­татель может обратиться к специальной литературе.

Список литературы

1. Алексеев , А. Е. Конструкция электрических машин / А. Е. Алек­сеев . - М., 1958.

2. Арменский , Е. В. Электрические микромашины / Е. В. Ар­менский , Г. Б. Фалк . - М., 1984.

3. Бертинов , А. И. Электрические машины авиационной автоматики / А. И. Бертинов . - М., 1961.

4. Брускин , Д. Э. Электрические машины и микромашины /
Д. Э. Брускин , А. Е. Зарохович , В. С. Хвостов . - М., 1981.

5. Бут , Д. А. Бесконтактные электрические машины / Д. А. Бут . - М., 1985.

6. Виноградов , Н. В. Проектиро­вание электрических машин / Н. В. Виноградов , Ф. А. Горяинов , П. С. Сергеев . - М., 1969.

7. Важное , А. И. Электрические машины / А. И. Важное . - Л. : Энергия, 1969.

8. Винокуров , В. А. Электрические машины железнодорожного транспорта / В. А. Винокуров , Д. А. Попов . - М., 1986.

9. Вольдек , А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек . - Л.: Энергия, 1966.

10. Голъдберг , О. Д. Проектирование электрических машин /
О. Д. Голъдберг , Я. С. Гурин , И. С. Свириденко . - М., 1982.

11. Ермолин , Н. П. Электрические машины малой мощности / Н. П. Ермолин. – М., 1975.

12. Иванов-Смоленский , А. В. Электрические машины / А. В. Ива­нов-Смоленский . - М., 1980.

13. Кацман , М. М. Электрические машины / М. М. Кацман . - М., 1983.

14. Кацман , М. М. Электрические машины автоматических устройств / М. М. Кацман , Ф. М. Юферов . - М., 1979.

15. Копылов , И. П. Электрические машины / И. П. Копылов . - М., 1986.

16. Копылов , И. П. Электромеханическое преобразование энергии / И. П. Копылов . - М., 1973.

17. Костенко , М. П. Электрические машины. Ч. 1 / М. П. Кос­тенко , Л. М. Пиотровский . - Л., 1973.

18. Костенко , М. П. Электрические машины. Ч. 1. - Изд. 2-е /
М. П. Костенко , Л. М . Пиотровский. - Л. : Энергия, 1964.

19. Костенко , М. П. Электрические машины. Ч. 2. - Изд. 2-е /
М. П. Костенко , Л. М . Пиотровский. - Л. : Энергия, 1965.

20. Петров , Г. Н. Электрические машины / Г. Н. Пет­ров. - М., Госэнергоиздат, 1956. - Ч. I.

21. Петров , Г. Н. Электрические машины / Г. Н. Петров . - М., 1963. - Ч. II; 1968. - Ч. III.

22. Специальные электрические машины / под ред. А. И. Бертинова. - 1982.

23. Хрущев , В. В. Электрические машины систем автоматики / В. В. Хрущев . - Л., 1985.

Предисловие. 3

Введение. 4

Г л а в а 1. Основные физические законы функционирования
электрических машин. 9

Г л а в а 2. Общие вопросы машин постоянного тока. 13

2.1. Принцип действия машин постоянного тока. 13

2.2. Конструкция машин постоянного тока. 17

2.3. Обмотки якоря машин постоянного тока. 18

2.4. Эквипотенциальные соединения обмоток якоря. 31

2.5. Способы создания магнитного поля или способы возбуждения
машин постоянного тока. 34

2.6. ЭДС якорной обмотки машин постоянного тока. 36

2.7. Механический момент на валу машины постоянного тока. 39

2.8. Магнитное поле машины постоянного тока, работающей
в режиме холостого хода. 41

2.9. Магнитное поле нагруженной машины постоянного тока.
Реакция якоря. 42

2.10. Коммутация обмотки якоря машин постоянного тока. 45

Г л а в а 3. Двигатели постоянного тока. 49

3.1. Принцип действия двигателей постоянного тока. 49

3.2. Основные уравнения двигателя постоянного тока. 51

3.3. Потери и коэффициент полезного действия двигателей
постоянного тока. 51

3.4. Характеристики двигателей постоянного тока. 54

3.5. Пуск двигателей постоянного тока. 65

3.6. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. 71

Г л а в а 4. Генераторы постоянного тока. 80

4.1. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения. 80

4.2. Энергетическая диаграмма генераторов постоянного тока. 81

4.3. Основные характеристики генераторов постоянного тока. 86

4.4. Характеристики генератора с независимым возбуждением.. 86

4.5. Рабочая точка нагруженного генератора. 94

4.6. Характеристики генератора с параллельным возбуждением.. 95

4.7. Генераторы с последовательным возбуждением.. 100

4.8. Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением.. 101

4.9. Использование генераторов постоянного тока. 105

4.10. Параллельная работа генераторов. 106

Г л а в а 5. Трансформаторы.. 109

5.1. Принцип действия трансформаторов. 110

5.2. Конструкция однофазных трансформаторов. 112

5.3. Потери электрической энергии в трансформаторе и коэффициент полезного действия трансформатора. 114

5.4. Режим холостого хода трансформатора. 118

5.5. Работа трансформатора в режиме нагрузки. 121

5.6. Приведенный трансформатор и его схема замещения. 124

5.7. Экспериментальное определение параметров трансформатора. 129

5.8. Изменение выходного напряжения трансформатора
при изменении тока нагрузки. Внешняя характеристика
трансформатора. 132

5.9. Внешняя характеристика трансформаторов. 135

5.10. Трехфазные трансформаторы. Принцип действия трехфазных трансформаторов 137

5.11. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных
трансформаторов. 141

5.12. Специальные трансформаторы.. 145

5.13. Параллельная работа трансформаторов. 150

Г л а в а 6. Асинхронные машины.. 154

6.1. Магнитные поля асинхронных двигателей. Вращающееся
магнитное поле. 154

6.2. Эллиптические и пульсирующие магнитные поля. 160

6.3. Принцип действия асинхронного двигателя. 165

6.4. Конструкция асинхронного двигателя. 168

6.5. Обмотки асинхронных машин. 170

6.6. Электродвижущие силы статорной и роторной обмоток. 177

6.7. Магнитный поток асинхронных машин. 178

6.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя. 181

6.9. Электрическая схема замещения асинхронного двигателя. 184

6.10. Энергетические процессы асинхронной машины.. 186

6.11. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя. 188

6.12. Общее уравнение вращающего момента асинхронной машины.. 189

6.13. Уравнение механической характеристики асинхронного
двигателя. 191

6.14. Формула Клосса. 194

6.15. Эквивалентная схема замещения асинхронной машины
с намагничивающей цепью, приведенной к сетевым зажимам.. 196

6.16. Круговая диаграмма асинхронной машины. Построение диаграммы.. 198

6.17. Анализ круговой диаграммы.. 202

6.18. Пуск трехфазных асинхронных двигателей. 207

6.19. Пуск двигателей с фазным ротором.. 207

6.20. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором.. 210

6.21. Двигатели со специальной роторной обмоткой и улучшенными пусковыми характеристиками. 214

6.22. Способы регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя 216

6.23. Рабочие характеристики асинхронных двигателей. 222

6.24. Работа асинхронного двигателя в различных режимах. 226

6.25. Работа асинхронной машины с фазным ротором в режиме
регулятора трехфазного напряжения. 227

6.26. Однофазные асинхронные двигатели. 228

6.27. Маркировка выводов асинхронного двигателя. 232

Г л а в а 7. Синхронные генераторы.. 234

7.1. Принцип действия синхронных машин. 234

7.2. Конструкция синхронной машины.. 237

7.3. Режим холостого хода генератора. 238

7.4. Реакция якоря синхронной машины.. 240

7.5. Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного генератора 245

7.6. Изменение напряжения на выходе синхронного генератора. 249

7.7. Основные характеристики синхронного генератора. 253

7.8. Включение в сеть трехфазных генераторов или параллельная
работа генераторов переменного тока. 257

7.9. Угловые характеристики синхронных генераторов. 261

7.10. Мощность синхронизации и момент синхронизации. 264

7.11. Влияние тока возбуждения на режим работы синхронного
генератора. 264

7.12. Потери энергии и коэффициент полезного действия
синхронного генератора. 266

Г л а в а 8. Синхронные двигатели. 269

8.1. Принцип действия синхронных двигателей. 269

8.2. Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя. 270

8.3. Мощность и механический момент синхронного двигателя. 271

8.4. V -образные характеристики синхронных двигателей. 272

8.5. Характеристики синхронного двигателя. 274

8.6. Методы пуска синхронных двигателей. 275

8.7. Синхронные компенсаторы.. 277

8.8. Способы возбуждения синхронных машин. 277

Заключение. 280

Список литературы.. 282

Учебное издание

Горячев Владимир Яковлевич

Джазовский Николай Борисович

Николаева Елена Владимировна

Электромеханика

Редактор В. В. Чувашова

Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Н. А. Сидельникова

Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

Сдано в производство 07.12.09. Формат 60x841/16.

Усл. печ. л. 16,74. Уч.-изд. л. 19,98.

Тираж 100. Заказ № 643. «С» 164.

_______________________________________________________

Издательство ПГУ

440026, Пенза, Красная, 40.

Для поддержания напряжения в аварийных режимах используют уст­ройства форсировки возбуждения. Устройства обеспечивают быстрое повышение напряжения возбуждения до максимально возможного, называемого обычно пото­лочным значением , при значительных снижениях напряжения, вызванных, главным образом, КЗ в электроэнергетической системе. Отно­шение этого напряжения или тока ротора соответственно к номинальному напряжению или току называют кратностью форсировки . Устройство форсировки возбуждения (УФВ) обычно входит в состав АРВ или выполняется отдельно. На рис. 8.33 приведена принципиаль­ная схема релейного УФВ, состоящая из реле минимального напря­жения PH, подключенного к трансформатору напряжения ТН и промежуточного реле РП. Уставка напряжения срабатывания реле ми­нимального напряжения обычно составляет (0,8-0,85) U.

Устройство форсировки действует следующим образом. При сниже­нии напряжения до уставки реле PH оно срабатывает и воздействует на обмотку промежуточного реле РП, которое своими контактами шунтирует реостат Р в цепи обмотки возбуждения возбудителя. При этом ток возбуж­дения возбудителя увеличивается до максимально возможного значения, а следовательно, и напряжение возбуждения на обмотке ротора синхронной машины нарастает сравнительно быстро до значения по экспоненци­альной зависимости

где - амплитуда изменения напряжения возбуждения;

Постоянная времени системы возбуждения.

Если УФВ входит в состав АРВ, то при срабатывании реле PH на сум­мирующий усилитель АРВ подает такой сигнал, что независимо от вели­чины и знаков сигналов на выходах других каналов регулирования обес­печивается быстрое повышение напряжения возбуждения до потолочного значения (рис. 8.34, а).

Поскольку к обмотке ротора синхронной машины прикладывается максимальное напряжение возбуждения, то ток в ее обмотке, а следова­тельно, и вынужденная ЭДС синхронной машины, увеличиваются с наи­большей скоростью (рис. 8.34, б).

Увеличение ЭДС синхронной машины при действии УФВ приводит к соответствующему увеличению амплитуды характеристики мощности увеличению амплитуды характеристики мощности в аварийном режиме

Это позволяет уменьшить площадку уско­рения на величину увеличить площадку торможения на величину , что приводит к повышению динамической устойчивости. При этом сте­пень влияния форсировки возбуждения на динамическую устойчивость зависит от скорости и величины изменения напряжения возбуждения, ко­торые определяются действием систем возбуждения и максимально воз­можным значением напряжения возбуждения. Как отмечалось ранее, посто­янная времени электромашинной системы возбуждения равна 0,3-0,5 с, для тиристорной системы = 0,02-0,04 с. Однако следует иметь в виду, что для обеспечения высокой скорости увеличения ЭДС все системы воз­буждения обязательно должны иметь высокий потолок возбуждения, так как для быстрого увеличения тока в роторе необходима не только высокая скорость изменения напряжения, но и его значение. Это вызвано тем об­стоятельством, что ток возбуждения синхронной машины из-за наличия индуктивности обмотки ротора возрастает значительно медленнее, чем Поэтому в аварийных режимах желательно повышение напряжения воз­буждения до значения 4-5-кратного от номинального (высокий потолок возбуждения). На рис. 8.36 показана кривая изменения напряжения воз­буждения на обмотке ротора синхронной машины при различных видах систем возбуждения.

Таким образом, быстродействие системы возбуждения и потолочное напряжение возбуждения при действии УФВ определяют значение тока в роторе, а следовательно, и степень изменения синхронной и переходной ЭДС в аварийном режиме. Величинами их изменения и определяется вли­яние форсировки возбуждения на характеристики мощности и в конечном итоге на динамическую устойчивость системы. Так, использование тирис­торной системы возбуждения с постоянной времени = 0,04 с и kф = 4

х.\

Рис. 8.35. Характеристики мощности в аварийном и послеаварийном режимах jVs j при отсутствии (/) и действии (2) форсировки возбуждения.

Рис. 8.36. Изменение напряжения возбуждения при различных системах возбуждения: 1 - тиристорная; 2 - электромашинная

вместо электромашинной системы с параметрами = 0,5 с, kф = 4 приво­дит к увеличению динамической устойчивости на 15-20 %.

Многолетний опыт эксплуатации УФВ показал, что они являются од­ним из эффективных средств повышения динамической устойчивости. Вместе с тем действие форсировки в ряде аварийных режимов не позволя­ет использовать все возможности систем возбуждения с АРВ по улучше­нию динамической устойчивости и повышению качества переходного элек­тромеханического процесса в электроэнергетических системах

– это электрические машины переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно.

Трехфазные синхронные генераторы – самые мощные электрические машины. Единичная мощность - синхронных генераторов на ГЭС - 640 МВт, а на ТЭС – 8 - 1200 МВт.

У синхронной машины одна из обмоток присоединена к электрической сети переменного тока, а вторая - возбуждается постоянным током. Обмотку переменного тока называют якорной.

Обмотка якоря преобразует всю электромагнитную мощность синхронной машины в электрическую и наоборот. Поэтому ее обычно располагают на статоре, который называют якорем. Обмотка возбуждения потребляет 0,3 - 2% от преобразуемой мощности, поэтому ее располагают обычно на вращающемся роторе, который называют индуктором и малую мощность возбуждения подводят через контактные кольца или устройства бесконтактного возбуждения.

Магнитное поле якоря вращается с синхронной скоростью n1 = 60f1/p, об/мин,

где p =1,2,3 ... 64 и т.д. - число пар полюсов.

При частоте промышленной сети f1 = 50 гц, ряд синхронных скоростей при различных числах полюсов: 3000, 1500, 1000 и т.д.). Так как магнитное поле индуктора неподвижно относительно ротора, то для непрерывного взаимодействия полей индуктора и якоря ротор должен вращаться с той же синхронной скоростью.

Конструкция синхронных машин

Статор синхронной машины с трехфазной обмоткой не отличается от конструкции , а ротор с обмоткой возбуждения бывает двух видов - явнополюсный и неявнополюсный. При больших скоростях и малом числе полюсов применяют неявнополюсные роторы, как имеющие более прочную конструкцию, а при малых скоростях и большом числе полюсов применяют явнополюсные роторы сборной конструкции. Прочность таких роторов меньше, но они проще в изготовлении и в ремонте.

Явнополюсный ротор:

Применяются в синхронных машинах с большим числом полюсов и соответственно относительно низкой n. ГЭС (гидрогенераторы). частота n от 60 до нескольких сотен об/мин. Самые мощные гидрогенераторы имеют диаметр ротора - 12 м при длине – 2,5 м, p – 42 и n= 143 об/мин.

Кроме обмотки возбуждения на роторе располагают демпферную или успокоительную обмотку, которую в синхронных двигателях используют для запуска. Эту обмотку выполняют аналогично короткозамкнутой обмотке типа "беличья клетка", только значительно меньшего сечения, так как основной объем ротора занимает обмотка возбуждения. В неявнополюсных роторах роль демпферной обмотки выполняют поверхности сплошных зубцов ротора и токопроводящие клинья в пазах.

Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель.

Смотрите также по этой теме:

Синхронная машина может работать генератором или двигателем. Синхронная машина может работать в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения.

Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Синхронный двигатель отличается от синхронного генератора лишь пусковой успокоительной обмоткой, которая должна обеспечивать хорошие пусковые свойства двигателя.

Схема шестиполюсного синхронного генератора. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник.

Режим генератора: двигатель (турбина) вращает ротор, на обмотку которого подается постоянное напряжение? возникает ток, который создает постоянное магнитное поле. Магнитное поле вращается вместе с ротором, пересекает статорные обмотки и наводит в них одинаковые по модулю и частоте ЭДС, но сдвинутые на 1200 (симметричная трехфазная система).

Режим двигателя: обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент Мвр, который приводит ротор во вращение со скоростью магнитного поля.

Механическая характеристика синхронного двигателя – зависимость n(M)– представляет собой горизонтальный отрезок прямой.

Массовое использование асинхронных двигателей с существенными недогрузками осложняет работу энергетических систем и станций: снижается коэффициент мощности в системе, что приводит к дополнительным потерям во всех аппаратах и линиях, а также и к их недоиспользованию по активной мощности. Поэтому возникла необходимость в применении синхронных двигателей, особенно для механизмов с приводами большой мощности.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosфи = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U 2 .

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При эксплуатации синхронных двигателей возникли существенные трудности с их пуском. В настоящее время эти трудности преодолены.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при больших мощностях их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.