§86. Назначение и принцип действия синхронной машины

Назначение. Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энергию трехфазного тока. Почти все генераторы переменного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических станциях, являются синхронными. Мощность этих генераторов может быть самая различная, начиная от нескольких киловольт-ампер (на передвижных электростанциях) и кончая несколькими сотнями тысяч киловольт-ампер (на мощных центральных электростанциях). В Советском Союзе создан самый большой в мире синхронный генератор мощностью 1200 тыс. кВ*А. Синхронные двигатели используют, главным образом, для мощных электрических приводов. Синхронные генераторы применяют на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока. На этих тепловозах напряжение, полученное от синхронного генератора, выпрямляется полупроводниковыми преобразователями и подается на тяговые двигатели постоянного тока.

Принцип действия. На статоре 2 синхронной машины располагается трехфазная обмотка 1 (рис. 283,а), а на роторе 4 — полюсы (электромагниты) с обмоткой, питаемой постоянным током через контактные кольца 3 и щетки. Обмотка 5 полюсов, создающая магнитный поток возбуждения машины, называется обмоткой

Рис. 283. Электромагнитная схема синхронной машины (а), и схемы ее включения (б и в): 1—трехфазная обмотка статора; 2— ротор; 3— обмотка возбуждения; 4, 5 — обмотки якоря

возбуждения. Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины; его обмотка имеет три (в двухполюсной машине), шесть (в четырехполюсной) или большее число катушек, сдвинутых одна относительно другой на соответствующие углы (120° или 60° и т. д.). При вращении ротора 4 с некоторой частотой n поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную э. д. с. Е₁, изменяющуюся с частотой

Благодаря тому что обмотки трех фаз синхронного генератора сдвинуты в пространстве на угол 120°, индуцируемые в них э. д. с. будут сдвинуты одна относительно другой по фазе на 1/3 периода. Если к обмотке статора подключить какую-либо нагрузку, то протекающий по этой обмотке трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

Из формул (86) и (87) следует, что n = n₁, т. е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемая машина называется синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием магнитодвижущих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается в пространстве с той же частотой вращения, что и ротор.

В синхронной машине обмотка 1 (рис. 283,б), в которой индуцируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называется обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по схеме, показанной на рис. 283, 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 электромагнитной схемой: у них обмотка якоря, к которой подключается нагрузка, располагается на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током,— на статоре.

Обмотка якоря обычно имеет семь выводов: от начал А, В, С и концов X, Y, Z фаз и от нулевой точки 0. Это дает возможность соединять фазы и подключать к ним нагрузку по различным схемам: «звезда», «звезда с нулевым проводом» и «треугольник».

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности: ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения вращающегося магнитного поля, т. е. n = n1; в обмотке ротора э. д. с. не индуцируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Синхронные генераторы тепловозов с электропередачей переменно-постоянного тока имеют две обмотки якоря 6 и 7 (рис. 283, в), фазы которых OA и О’А’, ОВ и О’В’ и ОС и О’С’ сдвинуты на 30°. Выводы обмоток якоря подключены к полупроводниковому выпрямителю. В результате сдвига фаз обмоток якоря существенно уменьшается пульсация напряжения и тока на выходе выпрямителя, что улучшает работу тяговых двигателей постоянного тока (см. главу III).

Возбуждение синхронной машины. В качестве источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения 1 синхронной машины может служить генератор постоянного тока 4 (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 284, а), или полупроводниковый выпрямитель 5, присоединенный к обмотке якоря 2 (рис. 284,б). Питание обмотки возбуждения от полупроводникового выпрямителя все более широко применяется как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах. Регули-

Рис. 284. Схемы питания обмотки возбуждения от возбудителя (а) и от полупроводникового выпрямителя (б)

рование тока возбуждения осуществляется вручную регулировочным реостатом 3, включенным в цепь обмотки возбуждения, или автоматически специальными регуляторами. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3—3 % мощности синхронной машины, поэтому возбудитель или выпрямитель имеет малые размеры по сравнению с синхронной машиной.

Принцип действия синхронной машины

Назначение.

Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энергию трехфазного тока. Почти все генераторы переменного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических станциях, являются синхронными. Синхронные двигатели используют, главным образом, для мощных электрических приводов.

Синхронные генераторы применяют на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока: напряжение, полученное от синхронного генератора, выпрямляется полупроводниковыми преобразователями и подается на тяговые двигатели постоянного тока

Устройство

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой получается нес помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов -электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную.

Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока.

При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали, имеющей повышенное содержание кремния, что повышает её электрическое сопротивление и уменьшает тем самым вихревые токи.

Принцип действия.

Статор 1 синхронной машины (рис. 6.1, 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.

Рис. 6.1. Электромагнитная схема синхронной машины и схема её включения

Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис. 6.1, 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

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

Из (6.1) и (6.2) 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. 6.1) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током, — на статоре. Такую машину называют обращённой. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора.

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 и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (6.2). В результате взаимодействия этого поля с током I_в, 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 п₁ = п₂ 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. п₂ = п₁;

б) частота изменения ЭДС Е, 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.

Как всякая электромашина, синхронная машина может работать в режимах двигателя и генератора.

Генераторный режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3. 2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений.

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120°, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС f [Гц] связана с частотой вращения ротора n [об/мин] соотношением:

,

где — число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.

Двигательный режим

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щётка-кольцо), в маломощных, к примеру, в двигателях жёстких дисков- постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)- это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей «раскачивание» ротора при синхронизации. После выхода на скорость, близкую к номинальной (>95% — так называемая подсинхронная скорость), индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель либо частотно-регулируемый пуск, также частотное регулирование применяют на всех типах СД в рабочем режиме — например, на тяговых двигателях скоростного электропоезда TGV. Двигатели старых электропроигрывателей требовали ручного пуска — прокрутки пластинки рукой, позже в проигрывателях стали применяться асинхронные двигатели.

Иногда на валу крупных машин ставят небольшой генератор (постоянного тока или переменного тока с выпрямлением), т.н. «возбудитель», который питает электромагниты.

Частота вращения ротора n [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети f [Гц] соотношением:

,

где — число пар полюсов ротора, в зависимости от нагрузки машины меняется лишь угол нагрузки (угол тета) -электрический угол отставания или опережения поля возбуждения по отношению к полю якоря. При угле нагрузки более 90 электрических градусов машина выпадает из синхронизма — останавливается, если вал перегружен тормозным моментом, либо уходит на повышенные обороты, если машина работает в режиме генератора и недогружена электрической нагрузкой.

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют косинус фи с ёмкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт (воздуходувки, водоперекачивающие и нефтеперекачивающие насосы), к примеру, типа СТД, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надежный) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.