Синхронные машины

У синхронных машин ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого фазными обмотками статора, подобного статору асинхронной машины. Ротор синхронной машины является электромагнитом или реже постоянным магнитом с числом пар полюсов, равных числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную частоту вращения ротора независимо от момента на валу. Поэтому эти машины используют в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной частотой вращения. Единичная мощность синхронного двигателя в приводах больших мощностей достигает несколько десятков мегаватт (до 1500 МВт). В основном синхронные машины используются в качестве промышленных генераторов электроэнергии на электростанциях.

Устройство синхронной машины.

Статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины (см. рис. 14.1). Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укрепленных внутри массивного корпуса. В пазах внутренней стороны статора размещена трёхфазная обмотка.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит - явнополюсный (см. рис. 15.1, где 1-полюсы, 2- полюсные катушки, 3- сердечник ротора, 4- контактные кольца) или неявнополюсный (см. рис. 15.2, где 1- сердечник ротора. 2- пазы обмотки, 3- контактные кольца). Ток в обмотку ротора поступает через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока- возбудителя.

Для получения синусоидальной ЭДС в проводах фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем тока ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора.

н

В явнополюсной машине это достигается увеличением ширины воздушного зазора от середины полюса к краям. В быстроходных машинах с неявными полюсами используется соответствующее распределение обмотки возбуждения вдоль окружности ротора.

Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только постоянным током в обмотке якоря, но и переменными токами в фазных обмотках статора (см. рис. 32.1, 32.2б-магнитное поле на поверхности статора).

Физически в синхронной машине существует лишь одно результирующее поле, складывающееся из постоянного магнитного поля вращающегося ротора, магнитного поля рассеяния статора и вращающегося синхронно с ротором магнитного поля реакции якоря. Электрическая мощность синхронного генератора:

Р=3 U I cosφ,

где cosφ - коэффициент мощности нагрузки.

Электромагнитный момент¸ создаваемый взаимодействием тока якоря с магнитным полем статора, связан с электрической мощностью Р известным простым соотношением:

М_ЭМ=Р/ω _Р.

У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют тоже р пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины, см.рис. 14.10). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения равна:

n=60 f/p (f=n p/60).

При стандартной промышленной частоте 50 Гц максимальная частота вращения, соответствующая двухполюсной машине (р=1), будет 3000 мин^-1. Это частота современного турбогенератора, состоящего из первичного двигателя - паровой турбины и неявополюсного синхронного генератора (турбогенератора).

У гидрогенератора гидравлическая турбина вращается относительно медленно. Это вынуждает изготовлять гидрогенераторы многополюсными, с явными полюсами и в большинстве случаев - с вертикальным валом. Частота вращения роторов этих генераторов - от 60 до нескольких сотен оборотов в минуту, чему соответствует несколько десятков пар полюсов.

Вследствие относительно малых оборотов гидрогенераторы имеют большую удельную массу- свыше 8 кг/кВ А (генераторы для паровых турбин имеют менее 2, 5 кг/кВ А).

 

Режимы работы синхронной машины

Могут работать в режиме генератора и двигателя. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине (как и в асинхронной - см. рис. 14.9) магнитное поле в статоре, вращающееся с угловой скоростью ω. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля статора в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора и двигателя показано соответственно на рис. 15.3 а и б штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля статора показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающегося с угловой скоростью ω пары полюсов S_C и N_C, расположенных на статоре.

 

Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.

Если пренебречь всеми видами потерь энергии, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.

Чтобы заставить синхронную машину, включенную в сеть, работать в режиме генератора, отдавая энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол γ относительно оси полюсов статора в направлении вращения (см. рис. 15.3, а). Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создаёт тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование энергии механического движения первичного двигателя в электрическую энергию генератора. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора.

Если приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернётся нам некоторый угол γ относительно оси полюсов статора против направления вращения (см. рис. 15.3 б). Вновь изменяются токи в обмотках статора и возникнут электромагнитные силы взаимодействия токов обмоток статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь за собой ротор в направлении движения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины. То есть синхронная машина переходит в режим двигателя.

Синхронная машина работает в режиме генератора или двигателя в зависимости от механического воздействия на вал машины, причём электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.

 

Энергетический баланс и КПД синхронного генератора.

 

Электрическая мощность статора складывается из потерь мощности в проводах Р_ПР и электрической мощности Р, которую генератор отдаёт в сеть. Помимо этого имеют место потери механические Р_МП, потери на гистерезис и вихревые токи в стали Р_с. Имеют место потери на возбуждение постоянным током Р_ВОЗ (см. рис.15.5).

Мощность генератора пропорциональна его линейным размерам в четвертой степени, поэтому с увеличением мощности приходится усиливать его охлаждение путём вентиляции машины. В крупных турбогенераторах N> 25 МВт

применяют водородное охлаждение (его теплоёмкость больше воздуха в 14 раз, теплопроводность в 7 раз, коэффициент теплоотдачи в 1, 35 раз).

КПД генератора определяют как отношение мощности генератора к мощности первичного двигателя (удобнее отнести к мощности генератора и всем потерям:

η =3U I cosφ /(3U I cosφ +P_ПОТ)

На рис. 15.6 показана зависимость КПД от нагрузки генератора Р и коэффициента мощности нагрузки cosφ.

 

Пуск синхронного двигателя.

 

Результирующий момент синхронного двигателя, возникающий в результате взаимодействия магнитного поля статора с неподвижным возбужденным ротором, при пуске двигателя близок к нулю. Поэтому ротор двигателя необходимо раскручивать тем или иным способом до частоты вращения, близкой к синхронной. В настоящее время для этой цели используется асинхронный пуск синхронного двигателя. Чтобы приспособить двигатель к такому пуску, при явнополюсном роторе в полюсные наконечники закладывается пусковая короткозамкнутая обмотка из медных или латунных стержней. Она напоминает беличье колесо асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых конструкциях двигателей роль короткозамкнутой обмотки выполняют сам массивный сердечник ротора и металлические клинья, заложенные в пазы ротора, а также бандажи, не имеющие с сердечником ротора электрического соединения.

Пуск двигателя в ход состоит из двух этапов: первый этап - асинхронный набор частота вращения при отсутствии возбуждения постоянным током и второй этап- втягивание в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения.

Для уменьшения пусковых токов синхронных двигателей частот применяется понижение напряжения при пуске включением двигателя через пусковой автотрансформатор АТ или индуктивную катушку, например, по схеме на рис. 15.19.

Сначала замыканием выключателя 2 три фазные обмотки автотрансформатором АТ соединяются звездой, а затем включением выключателя 1 подключаются к трехфазной сети. Таким образом, между выводами обмоток статора синхронного двигателя СД подаются пониженные АТ линейные напряжения трёхфазной системы. Ротор двигателя начинает вращаться как короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя. Когда скольжение ротора станет достаточно малым, выключатель 2 размыкается и напряжение на двигателе несколько повышается. Это объясняется тем, что теперь лишь часть каждой из фазных обмоток АТ играет роль индуктивной катушки, включенной последовательно с фазной обмоткой двигателя и несколько ограничивающей своим сопротивлением пусковой ток.

Следующая операция пуска заключается во включении двигателя на полное напряжение сети замыканием выключателя 3. Но пока нет постоянного тока возбуждения, ротор вращается асинхронно. Пуск заканчивается включением постоянного тока возбуждения I_B посредством переключателя 4. Реостаты R₁ и R₂ служат для регулирования режима работы возбудителя (В). Под действием электромагнитных сил двигатель достигает синхронной частоты вращения и развивает требуемый вращающий момент. При пуске не нужны операции по синхронизации двигателя с сетью и операции пуска могут быть автоматизированы.