Конструктивные схемы и принцип действия синхронной машины

Синхронная машина имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает ос­новное магнитное поле машины. Эта обмотка называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка явля­ется обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. Наибольшее распространение в синхронных машинах име­ют трехфазные обмотки якоря. В обмотке якоря индуциру­ется основная ЭДС машины.

В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения — на роторе (рис. 32.1 ). Иногда в синхронных машинах небольшой мощности применяется обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения — на полюсах статора (рис. 32.2). В электромагнитном отношении обе конструкции равноценны. Однако из практических соображений более предпочтительной является первая конструкция, так как в этом случае к скользящему контакту на роторе подводится мощность возбуждения, составля­ющая лишь 0,3—3 % номинальной мощности машины. Во втором варианте скользящий контакт следовало бы рассчи­тывать на полную мощность машины. Для крупных машин, имеющих относительно высокое напряжение и большие токи, обеспечить удовлетворительную работу такого контакта было бы весьма затруднительно. В дальнейшем будут рассматриваться синхронные машины, выполненные по первому (основному) конструктивному варианту.

Рис. 32 1. Конструктивный вариант синхронной машины: обмотка якоря расположена на статоре, а обмотка возбуждения — на роторе

Рис. 32 2 Конструктивный вариант синхронной машины: обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора, через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, го полюсы создадут постоянное магнитное поле чередующейся полярности. При вращении полюсов, а следовательно, и поля относительно проводников обмотки якоря в них будет индуцироваться переменная ЭДС, причем ЭДС отдельных проводников фазы суммируются. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках будет индуцироваться трехфазная система фазных ЭДС. Частота этой ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора n_р:

f = pn_p/60 (32.1)

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определенной зависимости между собой. Так, для получения стандартной частоты f=50 Гц при р=1 нужно иметь частоту вращения n_Р=3000 об/мин, а при р=24 n_Р=125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вращающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля

n_п = 60 f / p. (32.2)

Заменяя в (32.2) частоту ее значением из (32.1), получаем

п_п = n_р.

Характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название, является равенство частот вращения ротора и поля якоря.

В основном конструктивном варианте поле возбуждения имеет ту же частоту вращения, что и ротор, поэтому результирующее поле, созданное совместным действием то­ков обмоток якоря и возбуждения, будет иметь частоту вращения ротора.

В обращенном варианте (рис. 32.2) частоты вращения Якоря (ротора) и его поля будут одинаковыми, но направленными в противоположные стороны. Поэтому результирующее поле машины, как и поле возбуждения, будет неподвижным.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка статора присоединяется к трехфазной сети, при этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения п_п Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы при взаимодействии полей момент имел одно и то же направление, они должны быть неподвижными относительно друг друга. Это будет в том случае, если ротор, а следовательно, и его магнитное поле будут вращаться с частотой вращения п _п. Поэтому в синхронном двигателе ротор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения поля.