Лекция 17

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Курс лекций

Лекция 17

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

6.Электрические машины

6.3.Синхронные электрические машины

6.3.1.Конструкция синхронной машины

6.3.2.Принцип действия синхронного генератора

6.3.3.Принцип действия синхронного двигателя

6.3.4.Особенности пуска синхронного двигателя

6.3.5.Схема замещения и уравнения электрического состояния синхронной машины

6.3.6.Характеристики синхронного генератора

6.3.7.Характеристики синхронного двигателя

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 17

6.3. Синхронные электрические машины

Синхронные электрические машины используются в качестве генераторов и двигателей большой мощности. Синхронные генераторы устанавливаются на крупных электростанциях и используются в качестве автономных источников электроэнергии. Синхронные двигатели применяются для привода производственных механизмов большой мощности: насосных агрегатов, компрессоров, прокатных станов. Основной особенностью синхронных машин является то, что ротор вращается синхронно с магнитным полем статора. На рис. 6.3.1 – 6.3.3 показан общий вид синхронных машин разной мощности.

Рис. 6.3.1. Синхронный генератор

Рис. 6.3.2. Синхронный двигатель

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 17

2

Рис. 6.3.3. Синхронный двигатель большой мощности вертикального исполнения

6.3.1. Конструкция синхронной машины

Конструкция статора синхронной машины принципиально не отличается от статора асинхронного двигателя. Он представляет из себя стальной цилиндрический магнитопровод, собранный из отдельных листов электротехнической стали. На внутренней поверхности магнитопровода имеются продольные пазы, в которых располагается обмотка статора. Обмотка статора синхронной машины трехфазная, аналогично трехфазной обмотке асинхронного двигателя. Три фазы обмотки статора смещены по его окружности друг относительно друга на 1/3 часть периода.

Ротор синхронной машины может быть двух типов: явнополюсный (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсный (с неявновыраженными полюсами). В машинах с большой частотой вращения по соображениям механической прочности ротор делается неявнополюсным

Явнополюсный ротор синхронной машины (рис. 6.3.4) имеет магнитопровод 1, расположенный на валу машины. К магнитопроводу крепятся полюса

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 17

3

с полюсными наконечниками 2. На полюсах располагается электрическая обмотка ротора 3, называемая обмоткой возбуждения. На рис. 6.3.4 показан двухполюсный ротор. Синхронная машина может иметь большее число полюсов. На рис. 6.3.5 показан явнополюсный ротор тихоходной синхронной машины большой мощности с числом полюсов, равным 16.

Рис. 6.3.4. Явнополюсный ротор синхронной машины

Рис. 6.3.5. Явнополюсный ротор гидрогенератора с числом полюсов 16

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 17

4

Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает постоянное магнитное поле. Для соединения обмотки возбуждения с неподвижной электрической цепью служат два контактных кольца 4 (рис. 6.3.4), установленные на валу ротора. К каждому из колец подсоединен один из выводов обмотки возбуждения. К наружной поверхности контактных колец прижимаются неподвижные электрические щетки 5. При вращении ротора кольца своей поверхностью скользят по неподвижным щеткам, обеспечивая скользящий электрический контакт. Устройство и работа щеточного узла аналогичны асинхронному двигателю с фазным ротором. Различия лишь в количестве контактных колец и щеток. Фазная обмотка ротора асинхронного двигателя требует три контактных кольца, а обмотка возбуждения синхронной машины – два.

Неявнополюсный ротор синхронной машины (рис. 6.3.6) имеет цилиндрический магнитопровод 1 (сердечник) с продольными пазами на его поверхности. Обмотка возбуждения 3 распределена в пазах сердечника ротора таким образом, что при питании постоянным током она создает постоянное магнитное поле. Для соединения обмотки возбуждения с неподвижной электрической цепью также используются контактные кольца 4 и электрические щетки 5.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 17

5

Рис. 6.3.6. Неявнополюсный ротор синхронной машины

Условное обозначение синхронной машины в схемах электрических цепей показано на рис. 6.3.7.

Рис. 6.3.7. Условное обозначение синхронной машины в схемах.

а– с явнополюсным ротором; б – с неявнополюсным ротором

6.3.2.Принцип действия синхронного генератора

Схема включения синхронного генератора для работы совместно с сетью показана на рис. 6.3.8.

Рис. 6.3.8. Схема включения синхронного генератора

Обмотка возбуждения синхронного генератора подключена к источнику

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 17

6

постоянного тока (возбудителю) с напряжением Uв и создает постоянное магнитное поле возбуждения. Магнитный поток возбуждения замыкается в магнитной цепи синхронного генератора как показано силовыми линиями на рис. 6.3.9.

Рис. 6.3.9. Принцип действия синхронного генератора

Ротор генератора вращается турбиной Т (рис. 6.3.8) или приводным двигателем с частотой вращения n0. Постоянное магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, вращается вместе с ротором. При этом силовые линии пересекают проводники неподвижной обмотки статора и проявляется индукционное действие магнитного поля. Т.е. в неподвижной обмотке статора индуцируется ЭДС. При повороте двухполюсного ротора (рис. 6.3.9) на 1800 полярность магнитного поля меняется, при этом меняется направление ЭДС в обмотке статора.

При синусоидальном законе распределения индукции в воздушном зазоре

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 17

7

закон изменения ЭДС во времени также будет синусоидальным Таким образом, в обмотке статора индуцируется переменная синусои-

дальная ЭДС:
e = Em sin( 2πft ).	(6.3.1)

Частота f этой ЭДС зависит от частоты вращения ротора. Один оборот двухполюсного ротора на рис. 6.3.9 определяет период изменения ЭДС. Следовательно частота ЭДС пропорциональна частоте вращения ротора:

	f =	n0	,	(6.3.2)
		60

где n0 – частота вращения ротора, измеряемая в об/мин.

Соотношение (6.3.2) справедливо для двухполюсного синхронного генератора, показанного на рис. 6.3.9. В многополюсном генераторе частота ЭДС возрастает пропорционально числу пар полюсов p. Частота ЭДС многополюсного генератора определяется соотношением:

f =	n0 p	.	(6.3.3)
60

Как было отмечено, обмотка статора является симметричной трехфазной обмоткой, т.е. три фазы обмотки одинаковы и расположены в пазах статора таким образом, что сдвинуты по окружности друг относительно друга на 1/3 часть периода. Следовательно, в каждой фазе обмотки статора индуцируются синусоидальные ЭДС, одинаковые по амплитуде, но отличающиеся по фазе на 1/3 часть периода (или 1200). Таким образом, синхронный генератор является симметричным трехфазным источником электроэнергии ,т.е преобразует механическую энергию турбины (приводного двигателя) в электрическую энергию трехфазного тока. К обмотке статора синхронного генератора подключается трехфазный потребитель электроэнергии, либо обмотка статора подключается к трехфазной сети для совместной параллельной работы с другими трехфазными источниками (рис. 6.3.8).

Рис. иллюстрирует работу синхронного генератора с явнополюсным

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства	Лекция 17
8

ротором. В генераторе с неявнополюсным ротором происходят те же процессы.

6.3.3. Принцип действия синхронного двигателя.

Схема включения синхронного двигателя для привода рабочего механизма показана на рис. 6.3.10. Обмотка статора синхронного двигателя подключается к трехфазному источнику электроэнергии или к трехфазной сети. Аналогично трехфазной обмотке статора асинхронного двигателя она создает вращающееся магнитное поле (см. раздел 2.2).

Рис. 6.3.10. Схема включения синхронного двигателя

Частота вращения магнитного поля n0 определяется частотой тока в обмотке f и числом пар полюсов p:

n0	=	60 f	.	(6.3.4)
		p

Обмотка возбуждения синхронного двигателя подключена к источнику постоянного тока и создает постоянное магнитное поле. Таким образом, ротор синхронного двигателя является постоянным электромагнитом, находящимся в магнитном поле статора. При этом полюс магнитного поля статора притягивает

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства	Лекция 17
9

противоположный полюс ротора, стремясь совместить их магнитные оси. Вращаясь, магнитное поле статора увлекает за собой ротор с его магнитным полем, и ротор вращается с частотой вращения магнитного поля n0. Ротор и магнитное поле статора вращаются синхронно.

Таким образом, синхронный двигатель, потребляя электрическую энергию от трехфазного источника, вращает рабочий механизм, передавая ему механическую энергию.

Частота вращения ротора синхронного двигателя определяется частотой вращения магнитного поля статора и не зависит от момента нагрузки на валу. Механическая характеристика синхронного двигателя (зависимость частоты вращения n от вращающего момента M) изображается графически горизонтальной линией (рис. 6.3.11).

Рис. 6.3.11. Механическая характеристика синхронного двигателя

6.3.4.Особенности пуска синхронного двигателя

Врежиме пуска, когда ротор неподвижен, магнитное поле статора вращается относительно неподвижного ротора с синхронной частотой вращения. При этом за один оборот полярность магнитного поля меняется, и вращающий момент меняется на противоположный. Частота этих изменений определяется частотой вращения магнитного поля и количеством полюсов и равна частоте тока в

обмотке статора:

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства Лекция 17

10