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.

Источник

Синхронные машины — двигатели, генераторы и компенсаторы

Синхронная машина может работать генератором или двигателем. Синхронная машина может работать в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения.

Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Синхронный двигатель отличается от синхронного генератора лишь пусковой успокоительной обмоткой, которая должна обеспечивать хорошие пусковые свойства двигателя.

Схема шестиполюсного синхронного генератора. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник.

Режим генератора: двигатель (турбина) вращает ротор, на обмотку которого подается постоянное напряжение ? возникает ток, который создает постоянное магнитное поле. Магнитное поле вращается вместе с ротором, пересекает статорные обмотки и наводит в них одинаковые по модулю и частоте ЭДС, но сдвинутые на 1200 (симметричная трехфазная система).

Режим двигателя: обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент Мвр, который приводит ротор во вращение со скоростью магнитного поля.

Механическая характеристика синхронного двигателя – зависимость n(M)– представляет собой горизонтальный отрезок прямой.

Применение синхронных двигателей

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosфи = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U 2 .

Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При эксплуатации синхронных двигателей возникли существенные трудности с их пуском. В настоящее время эти трудности преодолены.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при больших мощностях их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.

В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Синхронные генераторы электромагнитного возбуждения.

Синхронные машины электромагнитного возбужде­ния с контактными кольцами наиболее широко исполь­зуются в современных электрических установках для генерирования электроэнергии различной мощности. Благодаря простоте конструкции, минимальной массе и возможности легко регулировать рабочий магнит­ный поток, они широко применяются также и в авто­номных источниках питания.

Указанные машины делятся на явнополюсные и неявнополюсные. Особенности и области их применения в энергетических установках общеизвестны.

Явнополюсные синхронные генераторы малой мощности.

Явнополюсные синхронные генераторы малой мощ­ности могут выполняться с внутренними вращающимися или с внешними неподвижными полюсами. В первом случае конструкция синхронной машины называется нормальной, а во втором — обращенной, подобно кон­струкции машин постоянного тока.

Маломощные явнополюсные синхронные генераторы промышленной частоты с вращающимся индуктором имеют наиболее высокие удельно-массовые показатели при числе полюсов, равном двум. Выполнение генерато­ра с четырехполюсным вращающимся индуктором приводит к увеличению габаритных размеров, поэтому машины небольшой мощности такого типа редко вы­пускаются.

Синхронные двухполюсные генераторы нормальной конструкции имеют некоторые дополнительные особен­ности: непосредственное подключение нагрузки к не­подвижному якорю осуществляется без щеточного кон­такта; явно выраженные полюсы позволяют разместить в сосредоточенных катушках возбуждения большой объем меди, что обусловливает меньший нагрев и неболь­шую мощность обмотки возбуждения; демпферная клет­ка для уменьшения влияния магнитной и электрической несимметрии индуктора, а также вентиляция обмотки возбуждения осуществляются наиболее просто в явно- полюсном роторе.

Благодаря отмеченным и рассматриваемым ниже пре­имуществам двухполюсные синхронные генераторы нор­мальной конструкции получили широкое применение в современных передвижных бензоэлектрических агре­гатах трехфазного и однофазного тока промышленной частоты.

Обращенные явнополюсные синхронные машины применялись преимущественно в качестве однофазных генераторов малой мощности, так как в этом случае для выводов вращающейся обмотки якоря достаточно иметь два контактных кольца. В случае трехфазного исполнения недостатки обращенной конструкции су­щественно возрастают.

Неявнополюсные синхронные генераторы.

Неявнополюсные синхронные генераторы электро­магнитного возбуждения применяются при больших окружных скоростях вращения индуктора. В них обес­печивается относительно высокая механическая проч­ность крепления вращающейся обмотки возбуждения.

По сравнению с явнополюсными машинами нор­мальной конструкции отметим некоторые недостатки неявнополюсных машин: более сложная конструкция; худшее использование объема ротора при размещении в пазах обмотки возбуждения; увеличение мощности возбуждения; ухудшение условий охлаждения ротора; трудности применения неявнополюсного ротора при большом числе полюсов; трудности размещения демп­ферной обмотки и др.

Источник

Неявнополюсный генератор

В насыщенной машине исключается возможность раздельного определения потоков от МДС возбуждения F_f и МДС реакции якоря F_a. В этом случае результирующий поток Ф_μ определяется по суммарной МДС

Если пренебречь потоками рассеяния Ф_σf. и Ф_σ, то можно считать, что насыщение генератора при нагрузке определяется только результирующим потоком Фμ. В неявнополюсном генераторе магнитное сопротивление для этого потока не зависит от положения его оси относительно ротора, поэтому суммарная МДС F_μ при нагрузке создает такой же магнитный по­ток, что и равная ей МДС обмотки возбуждения F_f в режиме холостого хода. Отсюда следует, что связь между Ф_μ и F_μ будет определяться кривой намагничивания генератора при холостом ходе (рис. 5.16). В относительных единицах эта кривая совпадает с характеристикой холостого хода (х.х.х.), поэтому по ней можно определить ЭДС Е_μ, соответствующую суммарной МДС F_μ

В действительности на насыщение стали за­метное влияние оказывают потоки рассеяния обмоток статора и возбуждения. При изменении нагрузки соотношение между потоками рассея­ния и результирующим потоком меняется, поэтому кривая намагничивания при нагрузке бу­дет также меняться, отклоняясь от характеристики холостого хода (пунктирная линия на рис. 5.16). Величина ЭДС Е_μ, найденная по этой кривой совместно с ЭДС рассеяния Е_σ, опре­деляет напряжение насыщенного генератора:

Расчет магнитной характеристики генератора при нагрузке весьма сложен, поэтому часто пользуются характеристикой холостого хода, заменяя Е_μ на Е_μr и внося поправку в величину сопротивления рассеяния обмотки статора:

где x_р > х_а — сопротивление Потье, названное по имени автора, предложившего этот метод. Сопротивление Потье должно быть такой величины, чтобы расчетной ЭДС E_μp по ха­рактеристике холостого хода соответствовало действительное значение суммарной МДС F_μ. Уравнения МДС (5.11), напряжений (5.12) и характеристика холостого хода (рис. 5.16) по­зволяют рассчитать рабочие режимы синхронного генератора с учетом насыщения.

Пусть требуется рассчитать МДС обмотки возбуждения F_f, обеспечивающую требуе­мое напряжение U₁ при нагрузке, заданной током I₁ и коэффициентом мощности cosφ.

Решение выполняется графическим методом с помощью векторной диаграммы (рис. 5.17). На оси ординат характеристики холостого хода откладывается вектор напряжения U₁.

Положение вектора тока I₁ и соответствующей ему МДС F_а задается углом φ. Зная положение векторов I₁ и U₁, находим согласно уравнению (5.12) ЭДС E_μp :

Модуль этой ЭДС определяет по характеристике холостого хода суммарную МДС F_μ,. Вектор F_μ опережает вектор ЭДС Е_μr на 90″. Вычитая из него (согласно (5.11)) вектор МДС реакции якоря F_a находим искомый вектор МДС обмотки возбуждения:

Обращаясь вновь к характеристике холостого хода, определяем по модулю МДС F_f величину ЭДС холостого хода Eo. Вектор ЭДС Eo отстает от вектора МДС обмотки возбуждения F_f на 90°. Угол между векторами Eo и U₁ определяет рабочий угол Θ, а разница модулей этих векторов

показывает величину изменения напряжения генератора при сбросе нагрузки. По условиям безопасности работы генератора и вспомогательного оборудования, получающего питание от генератора, величина ΔU не должна превышать 40% U_H.

Явнополюсный генератор

Суммарная МДС насыщенного генератора

определяет результирующий поток

который наводит в обмотке статора ЭДС

Магнитная характеристика яваополюсного генератора Ф_μ =f (F_μ)имеет очень слож­ный характер из-за неравномерности воздушного зазора. С целью упрощения расчетов раз­делим результирующий поток Ф_μ на продольную Ф_μd и поперечную Ф_μq составляющие,

и примем допущение, что магнитная цепь по поперечной оси не насыщена. Насыщение бу­дем учитывать лишь по продольной оси, используя магнитную характеристику холостого хода

суммарная МДС генератора по продольной оси.

Составляющие результирующего потока Ф_μd . и Ф_μq наводят в обмотке статора ЭДС

совместно с ЭДС рассеяния Е_σ = -jx_σI₁ определяет напряжение генератора

Так как магнитная цепь по поперечной оси принимаете! ненасыщенной, то для расчета ЭДС E_μq можно воспользоваться ранее полученным выражением

а расчет МДС E_μd, как и в случае неявнополюсной машины, выполняется по характеристи­ке холостого хода

Для снижения погрешностей расчета, обусловленных принятыми допущениями, сопро­тивление рассеяния ха заменяется на сопротивление Потье х_р.

Рассмотрим задачу определения МДС обмотки возбуждения F_f явнополюсного ге­нератора, необходимую для получения напряжения U₁ при нагрузке, заданной током I₁ и коэффициентом мощности cosφ. Решение выполняется графическим методом с использо­ванием характеристики холостого хода и векторной диаграммы. На оси ординат характе­ристики холостого хода откладывается вектор U₁, а вектор тока I₁ направляется под уг­лом φ (рис. 5.18). Зная положение этих векторов, находим ЭДС от результирующего поля

и эквивалентную ЭДС ненасыщенного генератора

которая, как было показано ранее, действует по поперечной оси машины. Поэтому проекция вектора E_μp на эту ось определяет вектор ЭДС E_μd ,. Обращаясь к характеристике холосто­го хода, находим по модулю ЭДС E_μd суммарную МДС генератора по продольной оси F_μd, Эта МДС с учетом реакции якоря по продольной оси F_ad. определяет МДС обмотки возбуждения

Этой МДС по характеристике холостого ходе соответствует ЭДС Eо. Вектор ЭДС Eо направлен по поперечной оси.

Источник