Общая характеристика. Синхронные электрические машины

Синхронные электрические машины

Синхронные машины (СМ) характеризуются тем, что частота вращения ротора в определенном интервале изменения нагрузки остается постоянной и равной частоте вращения ВМП, создаваемого обмотками статора. Многие типы СМ обратимы, т.е. без изменения конструкции они могут работать как в генераторном, так и двигательном режимах. Наибольшее распространение СМ получили в качестве генераторов переменного тока. Статор СМ выполняют неявнополюсным по типу статора трехфазного АД. Ротор СМ, выполняемый, как правило, явнополюсным, создает постоянное магнитное поле. Для СМ с электромагнитным возбуждением постоянный ток в обмотку возбуждения (ОВ) ротора подается через кольца и щетки от возбудителя, представляющего собой ЭМ постоянного тока, находящуюся на одном валу с основной машиной. К таким СМ относятся мощные синхронные генераторы: турбогенераторы, устанавливаемые на ТЭЦ и ГРЭС, и гидрогенераторы ГЭС. При магнитоэлектрическом возбуждении, применяемом в СМ малой и средней мощности, ротор выполняют в виде многополюсного постоянного магнита. При повышенных частотах (400 Гц и более) использование магнитоэлектрического возбуждения позволило увеличить надежность и КПД, уменьшить габариты, массу и стоимость СМ.

Синхронные двигатели (СД) с электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением относят к двигателям с активным ротором. СД с реактивным ротором не имеют источника постоянного магнитного поля. Их ротор выполняют явнополюсным или зубчатым из магнитомягкого материала - шихтованной электротехнической стали. В индукторных СМ возбуждение создается постоянной составляющей тока в обмотках статора, постоянным магнитом или специальной ОВ, расположенными на статоре.

К СД относятся также шаговые двигатели (ШД), в обмотки статора которых поступают импульсы тока от цифровой СУ. Частота вращения ротора ШД синхронизирована с частотой управляющих импульсов.

Для привода устройств автоматики часто требуется относительно небольшая стабильная частота вращения выходного вала (единицы или десятки оборотов в минуту). При небольшой мощности привода (единицы или десятки ватт) целесообразно применять редукторные СД, совмещающие функции двигателя и понижающего редуктора. Другим типом СД с пониженной частотой вращения являются двигатели с катящимся ротором, работающие по принципу механических планетарных редукторов.

Маломощные СД устанавливаются в самопишущих приборах, устройствах звуко- и видеозаписи, в винчестерах, станках с ЧПУ и т.д.

Отличительной особенностью СД с электромагнитным возбуждением является то, что в зависимости от величины тока возбуждения они могут работать с разными углами j между векторами фазных напряжения и тока : j>0 (недовозбужденный СД), j=0 и j>0 (перевозбужденный СД). Недовозбужденный СД потребляет из сети токи индуктивного характера, а перевозбужденный СД – токи емкостного характера. При j=0 реактивные токи из сети не потребляются и фазный ток СД принимает минимальное значение.

Электромагнитный момент М создается в результате взаимодействия ВМП статора СД с полем возбуждения Ф_в ротора, которые вращаются с одинаковой угловой скоростью (синхронный режим). В случае симметричной магнитной цепи и при незначительном активном сопротивлении обмотки статора момент М определяется уравнением, известным из общей теории синхронных машин с активным ротором [3]:

, (4.1)

где m₁ – число фаз статора; U₁ – фазное напряжение обмотки статора; E₀ – ЭДС, наводимая магнитным потоком ротора в обмотке фазы статора; w₁=2p f ₁/p – синхронная угловая скорость (p – число пар полюсов СМ) ВМП статора; X_C – синхронное индуктивное сопротивление фазной обмотки статора; q - сдвиг по

Рис.4.1

фазе между векторами и ; Ф_РА – поток "реакции якоря", создаваемый фазным током I'₁.

Если принять, что активное сопротивление обмотки статора равно 0, то q равен углу между осью полюсов ротора, создающего поток Ф_В, и результирующим магнитным потоком Ф_РЕЗ машины.

Так как электромагнитный момент М уравновешивает момент нагрузки, то при увеличении нагрузки потребление мощности из сети и, следовательно, тока I ₁ возрастает. Как следует из упрощенной векторной диаграммы одной фазы СД на рис. 4.1, рост тока I ₁ приведет к увеличению угла q.

Механическая характеристика СД, соответствующая выражению (4.1), приведена на рис. 4.2.

Рис.4.2

По мере возрастания момента сопротивления М_С на валу СД до значения М_ДОП, угол q монотонно увеличивается до p/2. При дальнейшем увеличении М_С и угла q электромагнитный момент начинает уменьшаться. Это приводит к катастрофическому увеличению угла q и выходу СД из синхронизма. СД останавливается и его обмотка статора может сгореть, во избежание чего противоаварийная защита должна отключить перегруженный СД от сети.