Синхронные электрические машины переменного тока

Синхронная машина состоит из вращающегося ротора, на котором имеются магнитные полюса и неподвижного изготовленного из пластин статора, в котором уложена трехфазная обмотка со сдвигом между фазами на 120⁰ (рис.3.5).

Рис.3.5. Устройство синхронной машины: 1- корпус; 2- сердечник статора; 3- обмотка статора; 4- ротор; 5- вентилятор; 6 – выводы обмоток статора; 7 – контактные кольца; 8 – щитки; 9 – возбудитель.

Магнитные полюса ротора могут образовываться постоянными магнитами, но чаще обмотками возбуждения, питаемыми постоянным током через укрепленные на валу изолированные кольца и щетки. Искрение щеток практически отсутствует т.к. кольца сплошные, а ток возбуждения мал. Число пар полюсов может быть большое, особенно для тихоходных мощных гидрогенераторов (до десятков).

Зазор между наконечником полюса и статором делается увеличивающимся к концам полюса, чтобы при вращении полюса в обмотке статора возникает ЭДС синусоидальной формы.

Частота синусоиды равна частоте вращению ротора, умноженной на число пар полюсов. При одной паре полюсов для 50 Гц необходима частота вращения 3000об/мин, при 50 пар полюсов всего 60 об/мин. При подключении нагрузки и протекании тока в обмотке возникает тормозящая сила , которая должна преодолеваться двигателем.

Синхронный генератор после подключения к сети (фазировка) работает синхронно с сетью. При малейшем увеличении скорости ротора ЭДС превышает напряжение сети, ток сильно увеличивается и тормозящая сила возрастает, при уменьшении скорости ротора ЭДС меньше напряжения сети, ток меняет направление, сила становится ускоряющей и генератор переходит в режим двигателя. Ротор синхронного двигателя может вращаться лишь со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора.

При отсутствии синхронизма над данным магнитным полюсом ротора будут поочередно проходить токи разных направлений, и средняя сила будет равна нулю. Это является недостатком синхронных двигателей, которые при резком торможении выпадают из синхронизма.

Для пуска синхронных двигателей ротор надо предварительно привести во вращение со скоростью, близкой к синхронной. Для этого либо используется вспомогательный разгонный двигатель, либо используют преобразователь частоты с плавным ее повышением от нуля. Используют также так называемый асинхронный пуск, когда в ротор располагают продольную короткозамкнутую обмотку и в момент пуска двигатель работает как асинхронный, а при скорости, близкой к синхронной включают ток возбуждения полюсов. Заметим, что в синхронном режиме асинхронная короткозамкнутая обмотка не работает, т.к. вращающее магнитное поле статора ее не пересекает.

Из-за всех этих сложностей синхронные двигатели применяются редко, но в последнее время их применение возрастает из-за емкостного характера их нагрузки, особенно при перевозбуждении или вообще при отключении нагрузки. Имеются специальные синхронные компенсаторы, не имеющие выходного конца вала для нагрузки.

Емкостной характер нагрузки синхронного двигателя и синхронного компенсатора при перевозбуждении, когда магнитная цепь работают в режиме насыщения, объясняется опережением ЭДС относительно внешнего напряжения при нелинейной кривой намагничивания.

Влияние тока нагрузки генератора на магнитный поток и ЭДС аналогично реакции якоря машины постоянного тока. В ненасыщенном режиме и при чисто активной нагрузке магнитный поток обмотки статора перпендикулярен потоку ротора и не ослабляет его. При чисто индуктивной нагрузке реакция статора размагничивающая, при чисто емкостной – намагничивающая, увеличивающая магнитный поток ротора и ЭДС генератора. Кроме основных магнитных потоков в машине необходимо учитывать еще поток рассеяния обмотки статора как и поток рассеяния обмотки возбуждения.

Нагрузочные и регулировочные характеристики синхронного генератора приведены на рисунке 3.6.

Рис. 3.6. Внешние а) и регулировочные б) харак­теристики синхронного генератора:

1- при активной нагрузке; 2 - при индуктивной нагрузке; 3­ - при емкостной нагрузке