Устройство и типы синхронных машин

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

ЛЕКЦИЯ 20

Синхронная машина – это машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразовании энергии, и ротор имеют одинаковую частоту вращения n = 60 f / p.

На электростанциях электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами (СГ), которые во вращение приводятся паровыми или гидравлическими турбинами. В первом случае синхронные генераторы называются турбогенераторами, а во втором гидрогенераторами. Мощность турбогенераторов – 1200 МВт, гидрогенераторов – 640 МВт. На автономно работающих электростанциях СГ имеют небольшую мощность и приводятся во вращение дизельными двигателями или газовыми турбинами.

Синхронная машина используется также в качестве двигателя. Синхронные двигатели (СД) имеют постоянную частоту вращения и используются там, где нет необходимости в регулировании частоты вращения и где она должна быть постоянной. СД имеют большую мощность (50 – 100кВт и более) и применяются на промышленных предприятиях для приведения в движение насосов, компрессоров и др. Синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до нескольких десятков ватт используются в схемах автоматики, звукозаписи, для вращения ленты самопишущих приборов и в др. случаях, требующих постоянства частоты вращения.

Синхронная машина, работающая в режиме генератора или двигателя, может служить источником реактивной мощности. Если СМ предназначена для работы в режиме ненагруженного двигателя, то она называется синхронным компенсатором.

Устройство синхронных машин.

Конструкция синхронной машины: а – машина в сборе с неявнопюсным ротором; б – ротор явнополюсный. Конструкция синхронной машины: а – машина в сборе с неявнопюсным ротором; б – ротор явнополюсный.

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора (якоря) и вращающегося ротора (индуктора). Статор в трехфазной машине идентичен статору трехфазного АД. Он состоит из корпуса 1, сердечника 2 и трехфазной обмотки 3. Сердечник имеет форму пустотелого цилиндра и собран из отдельных, покрытых лаком пластин стали. На внутренней цилиндрической поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Фазы A, B, C обмотки смещены друг относительно друга на электрический угол 120°.

По конструкции ротор бывает неявнополюсным а и явнополюсным б. Сердечник неявнополюсного ротора выполнен в форме монолитного стального цилиндра 4. На части внешней поверхности цилиндра фрезеруются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения 5. Явнополюсный ротор

имееет выраженные полюсы, на которых размещают отдельные катушки обмотки возбуждения. Обычно ротор этого типа содержит четыре и более полюсов, причем катушки на полюсах соединяют так, что северные и южные полюсы чередуются. Неявнополюсная конструкция ротора обладает большей механической прочностью и по этой причине используется в быстроходных машинах, работающих на частотах 3000, 1500 и 1000 об/мин. При меньших частотах вращения применяются явнополюсные роторы, число витков которых тем больше, чем ниже частота вращения. При любом типе ротора трехфазная обмотка статора (якоря) выполняется так, что создаваемое ею магнитное поле имеет такое же число полюсов, как и ротор.

Обмотка ротора, называвмая обмоткой возбуждения, подключена к двум смонтированным на валу и изолированным от вала контактным кольцам 3. К кольцам примыкают подпружиненные щетки 4, через которые от генератора постоянного напряжения (возбудителя) в обмотку возбуждения подается постоянный ток возбуждения I _в.

Электрическая схема синхронной машины следующая:

1 – трехфазная обмотка якоря (статора); 2 – обмотка возбуждения; 3 – контактные кольца; 4 – щетки; 5 – вал ротора; 6 – генератор постоянного напряжения.

В качестве источника постоянного напряжения может использоваться питаемый от трехфазной сети выпрямитель. В настоящее время эксплуатируются также синхронные машины с так называемым «бесщеточным» возбуждением. В качестве возбудителя используется маломощный синхронный генератор: поток возбуждения создается неподвижными постоянными магнитами 1 (рис. 3.43), трехфазная обмотка 2 возбудителя расположена на роторе. При вращении вала машины во вращающейся вместе с ним обмотке 2 генерируется трехфазная ЭДС, которая подводится к смонтированному непосредственно на валу выпрямителю 3, питающему обмотку возбуждения 4 основной синхронной машины. Отсутствие скользящего контакта щетки – кольца повышает надежность системы возбуждения. Мощность системы возбуждения составляет 1–3% от мощности якоря.

Электрическая схема синхронной машины Электрическая схема синхронной машины с «бесщеточ- ным» возбуждением

Синхронная машина, как и машины других типов, имеет два порта: механический (вал ротора) и электрический (зажимы A, B, C обмотки якоря). В режиме генератора машина преобразует механическую энергию, подводимую к механическому порту, в электрическую энергию электрического порта. На гидро- тепло- и атомных электростанциях устанавливают мощные синхронные генераторы для получения трехфазного электрического напряжения. В режиме двигателя наблюдается обратное преобразование энергии: электрическая энергия, подводимая из сети, преобразуется в механическую на валу машины.