Электротехника и электроника СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Общие сведения о синхронных машинах Синхронные машины являются машинами переменного тока. Синхронные машины применяют в качестве генераторов и двигателей. В синхронных машинах при установившемся режиме работы ротор и магнитное поле статора вращаются с одинаковой скоростью. Синхронные машины являются обратимыми машинами, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Синхронные генераторы Синхронные генераторы установлены почти на всех электростанциях и служат основным источником электрической энергии для промышленных сетей энергоснабжения. Синхронные генераторы получают механическую мощность и приводятся во вращение гидравлическими, паровыми, газовыми турбинами или, при меньшей мощности, дизелями и двигателями внутреннего сгорания. Синхронные генераторы служат также источником автономного электроснабжения на транспорте, на передвижных электростанциях, на строительных машинах и другой технике.

Синхронные двигатели Синхронные двигатели применяют там, где требуется постоянство частоты вращения. Они находят широкое применение в качестве привода прокатных станов на металлургических заводах, компрессоров и насосов на газо - и нефтеперекачивающих станциях магистральных газопроводов, в промышленности строительных материалов. Специальные синхронные двигатели малой мощности используются в устройствах с программным управлением, самопишущих приборах и др.

Синхронные компенсаторы Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их способность работать при токе, опережающим по фазе питающее напряжение. Такие двигатели называются синхронными компенсаторами и используются для улучшения параметров, в частности cos φ, электрических сетей.

Устройство синхронной машины Синхронные машины независимо от назначения и их использования состоят из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Ротор и статор разделены воздушным зазором.

Статор синхронной машины Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя и содержит шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых располагаются фазы трехфазной обмотки статора. Концы обмотки статора выведены на клеммную панель.

Общий вид статора синхронной машины

Ротор синхронной машины Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который образует магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. На роторе располагается обмотка возбуждения, концы которой через специальные кольца на роторе и неподвижные графитовые щетки подсоединены к источнику постоянного тока, называемому возбудителем.

Типы роторов синхронной машины Роторы синхронной машины бывают двух типов: с явно выраженными полюсами; с неявно выраженными полюсами.

Устройство явнополюсного ротора

Роторы с явно выраженными полюсами Роторы с явно выраженными полюсами применяются в сравнительно тихоходных машинах, число оборотов которых не превышает 1000 об/мин. Такие роторы, например, приводятся в действие тихоходными водяными турбинами ГЭС. На полюсах такого ротора размещаются катушки обмотки возбуждения. У синхронных двигателей с таким ротором витки пусковой короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» закладываются в тело полюсов и по торцам замыкаются кольцами.

Ротор с неявно выраженными полюсами Ротор с неявно выраженными полюсами обладает повышенной динамической прочностью, так как выполняется из цельной стальной поковки цилиндрической формы. На внешней поверхности поковки фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Общий вид неявнополюсного ротора

Особенности синхронных машин Синхронные машины проектируют и изготавливают так, чтобы количество полюсов магнитного поля ротора и поля, создаваемого обмоткой статора, было одинаковым.

Поперечное сечение явнополюсного и неявнополюсного ротора с обмоткой возбуждения

Условные обозначения на схемах неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронной машины

Принцип действия синхронных машин Принцип действия генератора

Работа машины генератором На обмотку ротора подается постоянный ток от возбудителя. Образуется постоянное магнитное поле ротора с полюсами N 0 и S 0.

Работа машины генератором Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения приводится во вращение с постоянной частотой n 0 приводным двигателе ПД, создающим вращающий момент М п.дв. При этом вращающееся магнитное поле ротора поочередно пересекает проводники фазных обмоток статора А - X, В - Y, C - Z и по закону электромагнитной индукции наводит в них переменные ЭДС.

ЭДС фазы Наведенная ЭДС в одном проводнике фазы e=Blv, где В - магнитная индукция в воздушном зазоре; l - активная длина проводника в пазу статора; v линейная скорость пересечения проводника магнитным полем.

Закон изменения ЭДС Индукция В в воздушном зазоре распределяется по синусоидальному закону В = В т sin α, где α = ωt - угол, отсчитываемый от нейтральной линии при вращении ротора с угловой частотой ω. ЭДС, наводимая в одном проводнике, также будет изменяться по синусоидальному закону: е = Blv = Bml v sin α = В т lv sin ωt = Е т sin ωt.

Действующее значение ЭДС Если в каждой фазе обмотки статора имеется w витков, то действующее значение ЭДС фазы определяется выражением: E = 4,44 kfw Ф оm, где k обмоточный коэффициент; f= pn 0 / 60 частота наведенных синусоидальных ЭДС; р - число пар полюсов ротора; Ф от - амплитудное значение магнитного потока полюса ротора.

ЭДС фаз

Схема расположения фаз обмотки статора и диаграмма наведенных ЭДС

Переход генератора в режим работы с нагрузкой При переходе генератора в режим работы с нагрузкой сопротивлением Z H по фазам обмотки статора потекут токи, которые создадут вращающееся магнитное поле статора. Ось полюсов статора N - S будет отставать от оси полюсов No S 0 первичного магнитного поля ротора на угол рассогласования θ.. В результате взаимодействия разноименных отстающих полюсов статора и опережающих полюсов ротора на ротор будет действовать момент, направленный против его вращения, т. е. тормозной момент М Т. В установившемся режиме тормозной момент уравновешивает вращающий момент приводного двигателя: М Т = М П.ДВ.

Взаимодействие магнитных полей в генераторе

Принцип действия двигателя Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных магнитных полюсов двух магнитных полей - статора и ротора. Вращающееся магнитное поле статора с полюсами N и S образуется при питании фаз обмотки статора тремя токами от трехфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя.

Взаимодействие магнитных полей в двигателе Если на ротор не действует никакая нагрузка, т. е. момент сопротивлений на роторе М с = 0, то оси магнитных полей статора и ротора совпадают.

Работа двигателя под нагрузкой Если же двигатель работает под нагрузкой и на роторе имеется момент сопротивления М с 0 от какого-либо механизма, то ось полюсов ротора сместится от оси полюсов статора в сторону отставания на какой-то угол θ. Таким образом, магнитное поле статора как бы «ведет» за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие F T магнитных сил F удерживают поля ротора и статора и создают вращающий момент М, зависящий от угла рассогласования θ: М = 2F Т R = 2FR sin θ, где R радиус ротора.

Реакция якоря в синхронной машине 1. В синхронном генераторе основное магнитное поле и основной магнитный поток Ф создаются обмоткой ротора и если машина работает без нагрузки с отключенной обмоткой статора, то в ней имеется только одно магнитное поле ротора и Ф = Ф о.

Реакция якоря в синхронной машине 2. Когда генератор работает под нагрузкой, то появляются токи в фазах обмотки статора. Эти токи создают свое магнитное поле статора, которое можно разделить на две составляющие. Магнитный поток одной части поля охватывает проводники фаз обмотки статора, лежащие в пазах сердечника, и замыкается по стали статора и воздушному зазору. На основное магнитное поле этот поток никакого влияния не оказывает и называется потоком рассеяния статора ФS.

Реакция якоря в синхронной машине 3. Магнитные силовые линии второй части поля статора замыкаются по стали статора, воздушному зазору и стали ротора. Естественно, что эта часть магнитного потока, называемого просто потоком статора Ф я, будет накладываться и взаимодействовать с магнитным потоком поля ротора Ф о.

Реакция якоря в синхронной машине 4. Явление, заключающееся во взаимодействии магнитных полей ротора и статора генератора называется реакцией якоря. Реакция якоря синхронного генератора сильно зависит от характера нагрузки, подключаемой к машине.

Реакция якоря в синхронной машине при активной нагрузке При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС е А фазы АХ обмотки статора и ее ток i A совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось тт 1 магнитного потока ротора Ф о перпендикулярна оси nn 1, катушки фазы АХ. В этом случае ось магнитного потока ротора Ф о опережает ось потока статора Ф я на электрический угол, равный 90°. При этом результирующий магнитный поток машины Ф РЕЗ = Ф о + Ф я (ось q - q 1 ) поворачивается относительно оси тт 1 потока ротора Ф на угол θ в направлении, противоположном направлению вращения ротора n 0.

Реакция якоря в синхронной машине при активной нагрузке

Реакция якоря в синхронной машине при индуктивной нагрузке При чисто индуктивной нагрузке X L ток в фазе обмотки статора АX отстает от ЭДС фазы на угол 90° и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора N o повернется на 90° по направлению вращения п 0 от оси тт 1. В этом случае магнитный поток статора Ф я оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора Ф о и размагничивает машину: Ф РЕЗ = Ф о - Ф я

Реакция якоря в синхронной машине при индуктивной нагрузке

Реакция якоря в синхронной машине при емкостной нагрузке При емкостной нагрузке генератора Х с ток в фазе АХ статора опережает ЭДС фазы на 90° и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора N o еще не доходит 90° до оси т т 1. Магнитный поток статора Ф я в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора Ф о и усиливает намагничивание машины: Ф РЕЗ = Ф о + Ф я.

Реакция якоря в синхронной машине при емкостной нагрузке

Потоки и ЭДС нагруженного синхронного генератора В нагруженном синхронном генераторе существуют три магнитных потока: Ф о - основной поток ротора, Ф я - поток статора и Ф S поток рассеяния статора. Эти магнитные потоки индуцируют в катушке фазы соответственно три ЭДС: Е о от магнитного потока ротора, Е я от потока статора и E s от магнитного потока рассеяния. Следует отметить, что ЭДС Е я и E s пропорциональны вызвавшему их току фазы статора I.

ЭДС в комплексной форме где Х я и X s - соответственно индуктивное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора.

Уравнение для фазной катушки статора U- фазное напряжение статора; R ф - активное сопротивление фазы статора.

Реактивное синхронное сопротивление Сумму реактивных сопротивлений фазы называют реактивным синхронным сопротивлением Х СИН = Х я + X s. Обычно для фазы обмотки статора R Ф < < Х СИН, поэтому падением напряжения на активном сопротивлении фазы можно пренебречь. Тогда уравнение для фазы статора будет Ú = É 0 – jX СИН İ.

Схема замещения и векторная диаграмма фазы обмотки статора синхронного генератора

Пояснение к векторной диаграмме Если нагрузка генератора активно-индуктивная, то вектор тока İ отстает по фазе от напряжения Ú на угол φ, а вектор индуктивного падения напряжения jX СИН İ опережает вектор тока на угол 90°. Сумма векторов Ú и jX СИН İ даёт вектор ЭДС É 0. Угол θ между векторами Ú и É 0 называется углом нагрузки, а угол между векторами É 0 и İ обозначается ψ 1.

Характеристики синхронного генератора Характеристика холостого хода Внешняя характеристика Регулировочная характеристика

Характеристика холостого хода Характеристика холостого хода - зависимость ЭДС генератора (фазы) E 0 от тока возбуждения ротора I В при токе фазы статора I = 0 и частоте вращения ротора n Q = const (что равносильно I = const).

Внешняя характеристика синхронного генератора Внешней характеристикой называется зависимость напряжения фазы обмотки статора U oт тока статора I, т. е. U=f(I), при I В = const, f = const и коэффициенте мощности cos φ = const или φ = const. Обычно выбирают такое значение тока возбуждения, чтобы при номинальном токе статора I ном напряжение также было номинальным U ном.

Регулировочная характеристика синхронного генератора Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения ротора при изменении тока нагрузки генератора, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным, т. е. I В =f(I) при U= const, cos φ = const или φ = const и f (или n) = const.

Пуск в ход синхронного двигателя Распространение получил так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления такого пуска на роторе располагается специальная пусковая обмотка, представляющая собой короткозамкнутую обмотку типа беличьей клетки как у ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя. Витки этой обмотки располагаются в полюсах ротора.

Схема пуска в ход синхронного двигателя 1. Вначале обмотка постоянного тока ротора (обмотка возбуждения) замыкается на пусковой реостат R n.

Пуск в ход синхронного двигателя 2. Затем подается трехфазное напряжение на обмотку статора, по ее фазам начинают проходить токи и создается вращающееся магнитное поле статора. 3. Синхронный двигатель за счет наличия пусковой обмотки трогается с места и начинает разгоняться как асинхронный двигатель.

Пуск в ход синхронного двигателя 4.Когда частота вращения ротора синхронного двигателя достигнет примерно 95 % синхронной частоты вращения поля статора n 0, пусковой реостат R n отключают, а обмотку возбуждения ротора подключают к источнику постоянного напряжения U B.

Пуск в ход синхронного двигателя 5. По обмотке возбуждения идет постоянный ток, и на роторе образуются магнитные полюса. Так как в это время частота вращения магнитного поля статора незначительно превышает частоту вращения ротора, то разноименные магнитные полюса ротора и поля статора притягиваются к друг другу, а одноименные - отталкиваются.

Пуск в ход синхронного двигателя 6. В результате ротор получает некоторое ускорение и после нескольких качаний ротора его частота вращения сравнивается с частотой вращения поля статора и далее остается постоянной (говорят, что двигатель втянулся в синхронизм).

Схема замещения и векторная диаграмма фазы обмотки статора синхронного двигателя

Пояснения к векторной диаграмме В двигателе ток фазы I протекает от действия фазного напряжения U c, приложенного к обмотке статора от сети, и направлен навстречу ЭДС Е о, которая индуцируется магнитным полем ротора. Трехфазная обмотка статора при подключении к ней питания создает вращающееся магнитное поле статора. Магнитный поток этого поля является потоком якоря и индуцирует в фазе обмотки статора ЭДС реакции якоря и рассеяния.

Уравнение для фазы обмотки статора двигателя Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора двигателя, будет иметь следующий вид: Ú c = É 0 – jX СИН İ. Из данного уравнения следует, что противо-ЭДС Е 0 магнитного поля ротора и падение напряжения на индуктивном синхронном сопротивлении фазы уравновешивают напряжение сети U c (предполагается, что активное сопротивление фазы мало).

Пояснения к векторной диаграмме В результате приложенного к ротору момента сопротивления нагрузки М с, ось магнитного потока ротора Ф 0 отстает на угол θ от оси результирующего магнитного потока Ф РЕ3. Поэтому в двигательном режиме вектор ЭДС Е о отстает по фазе на угол θ от вектора напряжения сети U c. При построении векторной диаграммы двигателя вектор Ú c принимается за исходный. Вектор тока İ отстает по фазе на 90° от вектора jX СИН İ.

Характеристики синхронного двигателя Угловая характеристика - зависимость между электромагнитным моментом синхронного двигателя М и углом рассогласования θ, т. е. М=f( θ). U - образная характеристика - зависимость тока статора от тока возбуждения ротора I = f (I В ), когда момент на валу двигателя M = const.

Угловая характеристика синхронного двигателя

Векторные диаграммы для фазы обмотки статора синхронного двигателя при разных токах

U-образные характеристики синхронного двигателя