Конструкция синхронных машин

Лекция №20 Устройство, характеристики и принцип действия трехфазного синхронного генератора и двигателя

Общие сведения.

На современных электростанциях электроэнергию вырабатывают синхронными генераторами, которые приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами. В первом случае синхронные генераторы называют турбогенераторами, во втором – гидрогенераторами. Это самые крупные электрические машины переменного тока.

Применяют синхронные машины также в качестве двигателей. Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения, поэтому их применяют там, где нет необходимости регулировать частоту вращения или где она должна быть постоянной. Синхронные двигатели имеют большую мощность (от 50 кВт до десятков тысяч киловатт). Их применяют на металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях для привода мощных насосов, компрессоров, непрерывных нерегулируемых прокатных станов и т. д. Они имеют очень хорошие энергетические показатели (коэффициент мощности и КПД) и в таких областях использования находятся практически вне конкуренции с другими электрическими машинами.

Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

1. Возможность работы при cos φ=1; это приводит к улучшению cos φ сети, а также к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций.

2. Меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени, а не квадрату напряжения.

3. Строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки синхронных двигателей:

1. Сложность конструкции.

2. Сравнительная сложность пуска в ход.

3. Трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100кВт.

Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos φ и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

Конструкция синхронных машин

Как следует из названия синхронных машин, скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля, и ротор вращается в сторону вращения поля. Следовательно, скольжение синхронных машин в установившемся режиме работы и частоту токов в роторе можно выразить в следующем виде

Таким образом, цепь ротора синхронной машины является цепью постоянного тока, а ЭДС наводится только в обмотке статора.

Поэтому в синхронных машинах помимо разделения активной части на неподвижную и подвижную (статор и ротор) применяется другое разделение. Та часть машины, в обмотке которой наводится ЭДС, называется якорем, а часть машины постоянного тока – индуктором.

Статор (якорь) синхронной машины не отличается от статора машины асинхронной. Ротор – это часть постоянного тока, поэтому его магнитопровод может выполняться как массивным, так и шихтованным. Обмотка ротора питается от источника постоянного тока и является однофазной. Эта обмотка называется обмоткой возбуждения.

Конструктивная схема машины:

1 - якорь, 2 - обмотка якоря, 3 - полюса индуктора, 4 - обмотка возбуждения, 5 - щетки и контактные кольца

В зависимости от конструкции магнитопровода ротора синхронные машины делятся на два класса: явнополюсные (ЯСМ) и неявнополюсные (НСМ). Явнополюсный ротор синхронных машин имеет выступающие полюсы, сердечник которых в крупных машинах шихтуется из пластин конструкционной стали толщиной 1- 2 мм, а в машинах небольшой мощности - из пластин электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм.

Поперечные разрезы роторов неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) машин:

1 - сердечник, 2 - обмотка возбуждения

В магнитном отношении ротор имеет две оси симметрии: продольную d, совпадающую с осью полюсов и обмотки возбуждения, и поперечную q, ей перпендикулярную (смещенную на электрический угол 90⁰).

На полюсах ротора часто устанавливают демпферную обмотку. Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные или латунные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по торцам замыкают сегментами так, что образуется короткозамкнутая клетка. Демпферные обмотки делятся на продольные и продольно-поперечные.