Л 4. Тема: «Синхронные машины. Работа под нагрузкой».

Всинхронной машине сердечник статора собирают из изолированных листов электротехнической стали и на нем располагают трехфазную обмотку якоря. На роторе размещают обмотку возбуждения. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

§1. Основные понятия и устройство синхронной машины.

Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, в которой частота вращения ротора n₁находится в строго постоянном отношении к частотеf₁сети переменного тока.

,

где р – число пар полюсов машины.

Применение синхронных машин весьма широко. Машина эта обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронный генератор является основным типом генератора переменного тока, применяемым в процессе производства электроэнергии. Синхронные двигатели в отличии от двигателей других типов имеют строго постоянную частоту вращения при данной частоте, не зависящую от нагрузки.

Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3-3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений.

Рис. Синхронная машина с неподвижным якорем.

Синхронную машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором называют обращенной.

Рис. Синхронная машина с вращающимся якорем.

В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами и неявновыраженную – с неявно выраженными полюсами.

Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя (тихоходные машины) и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников.

Двух- и четырехполюсные мащины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 мин^-1, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями.

§2. Принцип действия синхронной машины.

Статор 1 синхронной машины выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, т.к. она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6.

1 – статор;

2 – ротор;

3 – обмотка якоря;

4 – обмотка возбуждения;

5 – контактные кольца;

6 – щетки.

Рис. Электромагнитная схема синхронной машины.

Рис. Схема включения синхронной машины.

При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э.д.с. Е, изменяющуюся с частотой

.

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

.

Из этих выражений следует, что n₁=n₂, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_резсоздается совместным действием м.д.с. 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 индуктируется э.д.с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме представляемой на рисунке, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, на статоре.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем.

При подключении обмотки статора к сети с напряжением U_си частотойf₁протекающий по обмотке ток создает, также как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяетсяn₁. В результате взаимодействия этого поля с токомI_в, протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме – тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличии от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращенияn₁=n₂, независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки. Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:

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

б) частота изменения э.д.с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в обмотке ротора э.д.с. не индуктируется, а ее м.д.с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.