Синхронные машины. Принцип работы. Явнополюсные и неявнополюсные машины.
Синхронные машины это такие машины переменного тока, в которых частота движения ротора равно частоте тока в статоре. А, следовательно, определяется частотой питающей сети. Для производства электричество чаще всего используют синхронные генераторы. А синхронные двигатели отличаются тем, что у них скорость вращения постоянна и не зависит от нагрузки.
Все синхронные машины в принципе имеют одинаковую конструкцию. Они состоят из неподвижной части, которую называют статором. Он представляет собой корпус внутри, которого закреплён сердечник. Сердечник имеет цилиндрическую форму и набирается из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. В сердечнике с внутренней стороны имеются пазы, в которые уложена обмотка статора. Сердечник вместе с обмоткой называется якорем.
Внутри статора находится ротор, представляющий собой цилиндрической формы сердечник из сплошной стали который находится на валу. На сердечнике ротора намотана обмотка возбуждения, которая запитывается постоянным током потому нет необходимости делать сердечник ротора из шихтованной стали. Так как магнитный поток ротора постоянный.
Ток к ротору подводится через скользящие контакты в виде колец находящихся на валу, к которым прижаты графитовые щетки. Кольца изолированы друг от друга и от вала. А к ним подключены концы обмотки возбуждения. Сердечник ротора с обмоткой возбуждения называются индуктором.
Обмотка возбуждения размещается на роторе, так как ток возбуждения имеет малую величину по сравнению с током якоря. Иногда синхронные машины выполняют и наоборот. Это когда индуктор находится на статоре, а якорь на роторе. Ток возбуждения подводится к статору, а якорный ток, например для двигателя подводится к ротору.
Все синхронные машины можно разделить на два вида. Первый из них это синхронные машины, у которых ротор выполнен с неявно выряженными полюсами. Неявно выраженные полюса это когда обмотка ротора равномерно уложена в пазы сердечника. Не имея при этом явно выраженных полюсов. Это, как правило, высоко оборотистые машины. Так как на высокой скорости вращения ротор с явно выраженными полюсами будет испытывать высокие динамические нагрузки.
Синхронные машины с явно выряженными полюсами применяют на низких частотах вращения. Это, как правило, гидрогенераторы. Поскольку ротор вращается под напором столба воды, а создать на реке большой перепад воды достаточно сложно.
На роторе явно полюсной машины отчетливо выделяются магнитные полюса, на которые укладывается обмотка возбуждения.
Рассмотрим принцип действия синхронной машины на примере генератора переменного тока. К индуктору генератора подводится постоянный ток от внешнего источника тока. Этот ток создает основной магнитный поток, который пронизывает обмотки якоря. Обмотки якоря имеют одинаковое число витков и уложены друг относительно друга со смещением в 120 градусов.
При вращении ротора в обмотках статора наводится эдс вследствие электромагнитной индукции. Чтобы ток в обмотках якоря изменялся по синусоидальному закону, в явно полюсных машинах применяют полюсные наконечники особой формы. То есть воздушный зазор между полюсным наконечником и якорем не однородный, а изменяется с движением от середины к краю. Таким образом, магнитное поле в зазоре будет изменяться по закону близкому к синусоидальному.
В неявнополюсных машинах для получения формы тока близкой к синусоидальной используют неоднородное распределение обмотки возбуждения в пазах индуктора.
Когда синхронная машина работает в режиме электродвигателя, трех фазное напряжение подается на якорь. При этом обмотка индуктора замыкается накоротко, что обеспечивает асинхронный режим пуска синхронной машины. После разгона на индуктор подается постоянный ток, и машина входит в синхронизм.
Устройство синхронных машин
Синхронной называется машина переменного тока, ротор которой вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора. Частота вращения синхронной машины в установившемся режиме не зависит от ее нагрузки и определяется частотой тока сети ƒ числом пар полюсов р машины: n = 60ƒ/р. Синхронные машины выпускаются с двумя типами роторов: явнополюсными и неявнополюсными.
Рис. 84. Синхронная машина:
1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — полюс ротора; 4 — контактные кольца; 5 — подшипниковый щит; 6 — подшипник (корпус); 7 — вал; 8 — станина.
В станину синхронной машины с явнополюсным ротором запрессован сердечник 1 статора, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2 (рис. 84). В расточке сердечника статора размещен ротор. На валу явнополюсного ротора укреплены полюса 3 с обмотками возбуждения. Питание к обмоткам возбуждения подводится с помощью щеток и колец 4, изолированных от вала и друг от друга. Вал 7 опирается на подшипники 6, расположенные в подшипниковых щитах 5.
Явнополюсные роторы применяют при сравнительно невысоких частотах вращения синхронных машин (до 1500 об/мин) (рис. 85, а). Станина 13 имеет цилиндрическую форму и изготовляется литьем из серого чугуна, силумина. Внутри станина имеет продольные ребра 14, между которыми запрессован с помощью нажимных колец 10, пальцев 11 и шпилек 15 сердечник статора 12.
Сердечник статора изготовляют шихтовкой листов, штампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Внешняя окружность листов имеет выступы или впадины для фиксации их в ребрах станины при сборке. По внутренней окружности заготовок сердечников равномерно предусмотрены пазы, в которых располагают активные проводники обмотки 9 статора. При сборке сердечника между пакетами 12 прокладывают листы с приваренными дистанционными прокладками, образующими вентиляционные каналы.
Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов 5 и ярма 2, укрепленных на корпусе 16 (рис. 85, а). Полюса набирают из листов стали толщиной 1 — 1,5 мм и прессуют между литыми или кованными нажимными щеками 4 с помощью шпилек 15.
Ярма роторов машин малой и средней мощности выполняют массивными. В этом случае полюсы крепят к ярму радиальными болтами. В машинах большой мощности ярма выполняют шихтованными из штампованных листов стали СтЗ толщиной до 6 мм. Из листов образуют пакеты 2, разделенные каналами 3, и прессуют их стяжными шпильками. Полюсы соединяют с ярмом креплением Т-образных хвостовиков 18 в пазах ярма клиньями 17. На каждом полюсе установлена катушка 6 обмотки возбуждения. Выводы 1 от обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами (не показаны).
В круглых пазах на поверхности полюсов уложены стержни 8 проводников успокоительной (демпферной) обмотки ротора, замкнутые на торцах накоротко кольцами 7.
Неявнополюсный ротор представляет собой цельную массивную цилиндрическую поковку, в которой сердечник ротора совмещен с валом (рис. 85, б). Для изготовления ротора (если его диаметр не превышает 800 мм) применяют углеродистую сталь. При больших размерах для повышения механической прочности конструкции используют специальную легированную сталь.
Неявнополюсный ротор (рис. 85, б) подвергается обработке, в процессе которой высверливается осевой канал 27, который необходим для контроля качества поковки и уменьшения внутренних напряжений в металле. Наружная поверхность бочки 25 имеет винтовую канавку глубиной и шириной около 5 мм для улучшения условий охлаждения. По образующим активной части профрезерованы пазы 19 и осевой охладительный канал 21 в большом зубе 26, свободном от обмотки. Пазы 19 с обмоткой 6 и аксиальные каналы забиты клиньями 20, которые держат обмотки. Выводы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами 24. Лобовые части обмотки укреплены бандажами 22 из высокопрочной немагнитной стали. Бандажи охватывают центрирующие кольца 23, которые выполняют упругими.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Практически все синхронные машины имеют одинаковое конструктивное исполнение. Одной из их важнейших характеристик является полюсность. Она определяется конструктивными параметрами устройства.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Чтобы понять, как устроены явнополюсная и неявнополюсная синхронные машины необходимо знать из чего состоит их конструкция. Она включает в себя неподвижный элемент – статор, представлящий собой корпус, внутри которого размещен цилиндрический сердечник с тонкими пластинами, а также пазами, предназначенными для укладки обмотки статора. Сердечник с обмоткой называют якорем. В середине статора расположен ротор и именно он определяет тип машины: явнополюсный или неявнополюсный. На изображении визуально видны их отличия:
Явнополюсной ротор синхронной машины и неявнополюсный
Уже понятно, какая синхронная машина называется явнополюсной и как она выглядит. Теперь необходимо понять, где применяются явнополюсные роторы в синхронных машинах. Они применяются на низких частотах вращения, например, в гидрогенераторах. Как правило, их используют в агрегатах с 4 полюсами и более. Обмотку возбуждения в таком исполнении создают в виде цилиндрических катушек, которые устанавливают на сердечниках полюсов и фиксируют с помощью полюсных наконечников. Машины с таким исполнением ротора широко используются в качестве дизель-генераторов.
Что касается представителей неявнополюсных машин, то самыми популярными являются турбогенераторами, которые, как правило, используются для соединения с паровыми турбинами.
Синхронные машины
Рис.22 Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре явнополюсной СМ
Рис 23. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре неявнополюсной СМ
Рис. 24 Временные векторы диаграммы МДС СГ
Рис. 26 Схема замещения и векторная диаграмма неявнополюсного СГ
при резистивно-индуктивной нагрузке
Рис. 27 Векторная диаграмма СГ при резистивной нагрузке
Если нагрузка генератора имеет емкостной характер, то угол отрицателен и напряжение на зажимах синхронного генератора больше ЭДС ( рисунок 28 ). (9)
Рис. 28 Векторная диаграмма СГ при резистивно-емкостной нагрузке
П3 Энергетическая диаграмма синхронного генератора
Рассмотрим энергетическую диаграмму, показывающую соотношения между различными мощностями в синхронном генераторе в процессе того, как механической энергии приводного двигателя синхронного генератора преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. (рис. 29)
Рис.29 Энергетическая диаграмма СГ
Разные типы синхронных генераторов имеют разные соотношения между потерями мощности. Механические потери и потери в стали будут выше у машин высокооборотных. Потери на возбуждение тем больше, чем выше число полюсов машины.
Вопросы для самоконтроля?
1. За счет чего формируют синусоиду поля индуктора в синхронных генераторах? (1,2)
2. На какой угол отстает МДС синусоиды поля статора от МДС ротора? (3)
3. Какие составляющие имеет результирующая МДС в зазоре СГ?(4)
4. Что называют реакцией якоря СГ? (5)
5. Что называют потоком реакции якоря СГ? (6)
6. Какие функции выполняют элементы эквивалентной схемы СГ? (7)
7. Как ориентируют векторы МДС ротора и реакции якоря на векторных диаграммах СГ? (8)
8. В каких случаях напряжение на зажимах синхронного генератора больше чем ЭДС холостого хода? (9)
Рис. 30Упрощенная эквивалентная схема и векторная диаграмма СГ
Рис.31.Векторная диаграмма и V-образные характеристики СГ
Действительно, как следует из формулы электромагнитной мощности
Рис. 33 Характеристика холостого хода синхронного генератора
Рис. 34 Характеристика симметричного короткого замыкания СГ
Рис. 35 Внешние характеристики СГ
Рис. 36 Регулировочные характеристики СГ
Очевидно, что характер нагрузки определяет вид регулировочных характеристик.
Вопросы для самоконтроля.
1. Что такое нормальная характеристика холостого хода синхронного генератора? (1)
2. Как определяют спрямленную, насыщенную, и спрямленную, ненасыщенную характеристики холостого хода? (2)
3. Почему характеристика симметричного короткого замыкания СГ представляет собой прямую линию? (3)
4. Что такое отношение короткого замыкания? (4)
5. Как индуктивное сопротивление СМ по продольной оси связано с отношением короткого замыкания? (5)
6. Что такое внешние характеристики СГ? (6)
7. Какие характеристики синхронного генератора называются регулировочными? (7)
§4 Характеристики синхронных двигателей
П1 Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного перевозбужденного синхронного двигателя
Расположим вектор магнитодвижущих сил ротора влево вдоль оси абсцисс ( рисунок 37).
Рис.37 Векторная диаграмма перевозбужденного синхронного двигателя
Рис. 38 V-образные характеристики синхронного двигателя
Поэтому, также как генератор, перевозбужденный синхронный двигатель является для сети емкостной нагрузкой. (2) На рисунке 38 представлены V-образные характеристики синхронного двигателя для трех значений электромагнитной мощности. Пунктирной линией отмечена граница устойчивости работы. Линии, проходящей через минимумы кривых, соответствует коэффициент мощности равный единице. Видно, что нагруженный синхронный двигатель может работать только при достаточном возбуждении ротора.
Возможность работы синхронного двигателя с опережающим коэффициентом мощности широко используются в промышленности. Для целей улучшения коэффициента мощности сети изготовляют специальные электрические машины, называемые синхронными компенсаторами. Синхронный компенсатор представляет собой перевозбужденный синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу с большим емкостным током. (3)
П3 Рабочие характеристики синхронных двигателей
Рабочими характеристиками синхронного двигателя называю зависимость основных эксплуатационных параметров режима работы от развиваемой механической мощности. (4)Основными эксплуатационными параметрами, характеризующие режим работы двигателя являются ток статора, потребляемая двигателем мощность, момент на валу, частота вращения ротора, коэффициент мощности и кпд.(5)
Рис.39 Рабочие характеристики СД
Конструкции синхронных машин.Работа и характеристики синхронных машин.Явнополюсный ротор
Любая синхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (рис.5.1). Статор и ротор разделены воздушным промежутком, который в больших синхронных машинах, как правило, значительно больше, чем в асинхронных машинах, одинаковых по мощности.
По конструкции статор синхронной машины принципиально не отличается от статора асинхронной машины.
Сердечник статора 1 набирают из штампованных изолированных листов электротехнической стали. В пазах статора располагают обмотку переменного тока 2 (как правило, трехфазное). На валу 4 закрепляют ротор 3 с обмоткой возбуждения. Концы этой обмотки подводят к контактным кольцам 5. Для подачи постоянного тока в обмотку возбуждения по контактным кольцам скользят щетки 6. Источником постоянного тока в рассматриваемой машине служит возбудитель 7, представляет собой генератор постоянного тока, якорь которого закреплен на общем валу с ротором синхронной машины.
Рис. 5.1. Устройство явнополюсной синхронной машины
Постоянный ток, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитное поле ротора-поле возбуждения.
Роторы синхронных генераторов бывают с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.
Явнополюсный ротор (рис.5.2) состоит из вала 1, на котором закреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 2. Сердечники полюсов заканчиваются полюсными наконечниками 3, обычно обрабатывают таким образом, чтобы воздушный промежуток между полюсным наконечником и статором получался неравномерным. Он минимальный под серединой полюса и максимальный у его краев (рис.5.3, d 2> d 1). Делается это для того, чтобы кривую магнитной индукции В 0 в воздушном промежутке, имеет форму трапеции при равномерном промежутка 1, максимально приблизить к синусоиде 2.
Синхронные машины с явно выраженными полюсами, как правило, многополюсные. Они обычно рассчитываются на небольшие частоты вращения.
Гидрогенераторы всегда явнополюсные. Так как при малых частотах вращения n 1 (которые развивает турбина) гидрогенераторы должны выдавать электроэнергию промышленной частоты 50 Гц, то они должны иметь большое число пар полюсов:[adsense_id=»1″]
Роторы генераторов имеют большой диаметр (для размещения полюсов) и малую длину.
Турбогенераторы являются быстроходными синхронными машинами. Объясняется это высокой частотой вращения турбин, КПД которых увеличивается с повышением частоты вращения. Как правило, турбогенераторы изготавливаются двухполюсный (2р = 2) и имеют частоту вращения n 1 = 3000 об / мин.
При такой большой частоте вращения явнополюсна конструкция ротора непригодна из-за недостаточной механической прочности. Поэтому турбогенераторы должны неявнополюсными ротор — кованый стальной цилиндр профрезованимы продольными пазами для укладки обмотки возбуждения (см. рис.5.7, б). Неявнополюсными роторы имеют сравнительно небольшой диаметр при значительной длине.
Рис. 5.2. Явнополюсный ротор Рис. 5.3. Распределение магнитной индукции в промежутке синхронной машины
В синхронных машинах используются два способа возбуждения: электромагнитное возбуждение и возбуждение постоянными магнитами.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения постоянным током различают независимое возбуждение и самовозбуждение.
При независимом возбуждении для получения постоянного тока используют возбудитель С (см. рис.5.1), который располагается на одном валу с синхронной машиной и представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого не превышает 2 ¸ 5% от мощности синхронной машины.
При самовозбуждении для питания обмотки возбуждения постоянным выпрямленным током, получаемой от генератора, используются выпрямители.
В случае возбуждения постоянными магнитами ротор не имеет обмотки возбуждения, а его полюса представляют собой постоянный магнит. Это дает возможность получить машину без контактных колец, а потому, повысить ее надежность и КПД.
На полюсных наконечниках явно выраженных полюсов ротора имеются пазы, в которых укладывают стержни демпферной короткозамкнутой обмотки. Эта обмотка служит для успокоения ротора в генераторах, а также для пуска в синхронных двигателях.
Синхронные машины небольшой мощности иногда изготовляют обратными (по типу машин постоянного тока).
У таких машин обмотка переменного тока располагается в пазах ротора и выводится до трех контактных колец, а обмотка возбуждения располагается на явно выраженных полюсах статора. Мощными эти машины не производятся, так как при такой конструкции через контактные кольца приходится пропускать большой переменный ток (главный ток машины) при высоком напряжении, тогда как в машинах обычного исполнения через контактные кольца ротора приходит небольшой по величине ток возбуждения при напряжении до 440 В.
Синхронные двигатели малых мощностей разнообразны по конструкции.
Васюра А.С. — Книга «Электромашинные элементы и устройства систем управления и автоматики» часть 2