Синхронные машины

Синхронная машина - это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Устройство синхронной машины

Статоры синхронной и асинхронной машин полностью одинаковы.

Статор синхронного генератора состоит из чугунной станины - корпуса, внутри которого находится сердеч­ник статора, собранный из отдельных листов электротех­нической стали, изолированной между собой лаком или тонкой бумагой. В пазы сердечника укладывают обмотку статора из медного изолированного провода (рис. 164).

Роторы синхронных генераторов бывают двух типов - явнополюсными и неявнополюсными (балванка).

Явнополюсными выполняют роторы синхронных гене­раторов с небольшим числом оборотов (от 125 об/мин до 1500 об/мин), обычно соединяемых с тихоходными гидротурбинами, и генераторов не­большой и средней мощности.

Роторы неявнополюсные применяют в генераторах с большим числом оборотов (3000 об/мин) и большой мощности, обычно соединяемых на одном валу с паровыми турбинами, называют эти генераторы турбогенераторами.

Сердечники полюсов большей частью изготовляют из литой стали, а башмаки - иногда из отдельных листов электротехнической стали. Обмотку полюсов выполняют из медных изолированных проводов. Для получения синусоидально изменяющейся э.д.с. необходимо иметь синусоидальное распределение магнитной индукции в воз­душном зазоре. Это достигается неравномерностью воз­душного зазора между наконечником полюса и сталью статора: по краям полюсов воздушный зазор больше, чем под серединой полюса (рис. 167).

На вал генератора надевают два кольца, изолирован­ных от него, к которым присоединяют выводы обмотки возбуждения ротора, их называют контактными кольцами. На контактные кольца устанавливают щетки, а к щеткам подводят постоянный ток от воз­будителя.

Чаще всего в качестве возбуди­теля применяют машину постоян­ного тока, которую называют машинным возбудителем, а в по­следнее время используют для возбуждения твердые или механи­ческие выпрямители. У большего количества син­хронных машин возбудитель рас­положен на одном валу с гене­ратором, а в последних конструкциях возбудитель распо­лагают сверху статора синхронной машины.

Принцип действия синхронного генератора

Синхронный генератор состоит из неподвижной - статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка перемен­ного тока, и вращающейся части - ротора, который пред­ставляет собой электромагнит.

Обмотки возбуждения ротора питаются через щетки и кольца постоянным током от возбудителя - машины постоянного тока или какого-нибудь выпрямителя.

Если предположить, что магнитная индукция распределяется в воз­душном зазоре синусоидально - , то ЭДС, индуктируемая в якорной обмотке генератора, будет иметь вид:

Под действием этой ЭДС в цепи генератора, замкнутой на нагрузку Z, появится переменный ток . Частота переменной ЭДС рассматриваемого ге­нератора определяется частотой вращения ротора: при одной паре полюсов поля возбуждения () одному обороту ротора соответствует один период переменного тока. В общем случае частота ЭДС синхронного генератора(Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора [об/мин], т.е.

Обмотка, в которой индуктируется ЭДС, расположена на неподвижной части генератора - на статоре. При этом обмотку возбуждения располагают на роторе. Такая конструктивная схема наиболее рациональна в синхронных машинах большой мощности, так как при расположении рабочей обмотки на ро­торе пришлось бы передавать в рабочую об­мотку через контактные кольца значительные мощности при напряжении до 20 кВ. В этих ус­ловиях работа контактных колец и щеток стала бы весьма ненадежной, а потери энергии в ще­точном контакте - значительны. При распо­ложении рабочей обмотки на статоре выводы этой обмотки присоединяют непосредственно к электрической сети. Конечно, и в этом случае машина не избавляется от контактных колец и щеток, необходимых для соединения обмотки возбуждения с возбудителем. Но так как вели­чина тока возбуждения в десятки раз меньше рабочего (переменного) тока, а напряжение не превышает 450 В, то щеточный контакт работает более на­дежно, а потери энергии в нем невелики.

Исходя из перечисленных соображений синхронные машины, как правило, выполняют с рабочей обмоткой, располагаемой на статоре.

Обмотка статора синхронных машин обычно представляет собой трехфазную обмот­ку, соединяемую в звезду или треугольник.

На роторе расположена обмотка возбуждения, при подключении которой к источнику постоянного тока (возбудителю) возникает магнитное поле возбуждения. По­средством первичного двигателя ротор ге­нератора приводят во вращение со скоростью . При этом магнитное поле ротора вращаясь индуктирует в трехфазной обмотке статора ЭДС ,,, которые, буду­чи одинаковыми по величине и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 120, образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

Большинство синхронных генераторов проектируют на промышленную частоту 50 Гц. Для получения ЭДС такой частоты необходимо, чтобы частота вращения ротора была равна