≡× МЕНЮ

• Проблемы 
• Сетевое 
• Обзоры
• Интернет
• Windows 7

Обмотка возбуждения синхронной машины располагается на. Системы возбуждения синхронных двигателей. Условия окружающей среды

На роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле.

До недавнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 82, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (парал­лельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r 1)и подвозбудителя (r 2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности про­цесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности - турбогене­раторах - иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель. Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индуктор­ного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 82, б), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) – генератора постоянного тока.

Рис. 82. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитно­го

возбуждения синхронных генераторов

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения син­хронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную на­дежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 83, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 83. Принцип самовозбуждения синхронных генера­торов

На рис. 19.2, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток пода­ется в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразо­вателем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряже­ния на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой пе­регрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включае­мые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбужде­ния с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхрон­ных двигателей получили возбудительные тиристорные устройст­ва типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В).

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение от­носится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ воз­буждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуж­дения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности мате­риалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбу­ждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют способы возбуждения синхронных машин?

2. Объясните назначение тиристорного преобразователя в системе самовозбуж­дения синхронного генератора?

3. Объясните устройство явнополюсных и неявноплюсных роторов?

4. Объясните устройство синхронного двигателя серии СДН2?

5. Какие применяются способы крепления полюсов в синхронных явнополюс­ных машинах?

6. Чем обеспечивается неравномерный воздушный зазор в синхронной маши­не?

Система возбуждения синхронной машины состоит из возбудителя и системы регулирования тока возбуждения, замыкающегося в обмотке возбуждения синхронной машины и в обмотках возбудителя. Система возбуждения должна обеспечивать надежную работу синхронной машины, выполняя регулирование тока возбуждения, форсировку возбуждения, гашение поля возбуждения. Эти процессы в крупных машинах осуществляются автоматически. Системы возбуждения делятся на два типа - прямые и косвенные.

В прямых системах возбуждения якорь возбудителя жестко соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Последний может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения не обесточивается.

На рис. 4.79, а -в приведены наиболее распространенные схемы возбуждения синхронных машин.

На рис. 4.79, а представлена наиболее распространенная прямая схема с электромашинными возбудителями. К обмотке возбуждения ОВГ синхронного генератора СГ постоянный ток через контактные кольца подается с якоря возбудителя В. Обмотка возбуждения возбудителя ОВВ питается от якоря подвозбудителя ПДВ. Управление током в обмотке возбуждения синхронного генератора осуществляется резистором R p , включенным в цепь обмотки возбуждения подвозбудителя ОВПДВ.

Подвозбудитель и возбудитель - генераторы постоянного тока. Их якоря муфтами соединены с ротором синхронного генератора. Мощность обмотки возбуждения ге-

Рис. 4.79.

нераторов постоянного тока составляет 0,2-5% мощности генератора. Поэтому мощность управления в каскадной схеме из двух генераторов постоянного тока (см. рис. 4.79, а) составляет несколько процентов мощности возбуждения синхронного генератора. Коэффициент усиления схемы равен произведению коэффициентов усиления по мощности двух генераторов постоянного тока (И) 2 -10 3).

Предельная мощность генератора постоянного тока с частотой вращения 3000 об/мин примерно 600 кВт. Поэтому генераторы постоянного тока в качестве возбудителей могут применяться в турбогенераторах мощностью 100-150 МВт. Генераторы постоянного тока в качестве возбудителей находят широкое применение в синхронных двигателях и синхронных генераторах автономных энергетических систем.

На рис. 4.79, б дана схема косвенного возбуждения с возбудителем - генератором постоянного тока с независимым возбуждением. Якорь генератора постоянного тока вращается асинхронным АД или синхронным двигателем, которые подсоединяются к сети переменного тока, не зависящей от напряжения синхронного генератора.

Наибольшее распространение получили схемы возбуждения со статическими преобразователями переменного тока в постоянный. В 1950-х гг. для возбуждения гидрогенераторов применялась схема возбуждения с ртутными выпрямителями, а в последнее время широкое применение находят

тиристорные схемы возбуждения, которые могут быть контактными и бесконтактными. В контактных схемах через кольца ток возбуждения от тиристорного преобразователя подается на обмотку возбуждения. При этом переменный ток на тиристорный преобразователь подается или от элек- тромашинного возбудителя, или от сети.

В крупных турбогенераторах в качестве электромашин- ного источника электрической энергии используется индукторный высокочастотный генератор (рис. 4.80). Ротор индукторного генератора жестко связан с ротором турбогенератора. На роторе индукторного генератора нет обмоток, а обмотки якоря расположены на статоре. Принцип действия индукторного генератора рассматривается в параграфе 4.23.

В бесщеточных системах возбуждения обмотка якоря и выпрямители находятся на роторе. Возбудитель выполняется многофазным для турбогенератора мощностью 1000 МВт, 1500 об/мин. Возбудитель имеет длину 3 м. Мощность возбудителя в кратковременном режиме 7,2 МВт и при длительной работе 2,8 МВт. Максимальный ток 9,6 к А при напряжении 0,75 кВ. В турбогенераторе мощностью 500 МВт мощность возбудителя 2,4 МВт.

Ко всем системам возбуждения предъявляются жесткие требования, регламентированные ГОСТ 21558-2000. Систе-

Рис. 4.80. Индукторный возбудитель турбогенераторов мы возбуждения должны обеспечивать форсировку возбуждения при снижении напряжения сети и аварийных режимах. Согласно указанному ГОСТу кратность предельного установившегося напряжения возбудителя (отношение максимального напряжения возбудителя к номинальному напряжению возбудителя) для крупных генераторов и синхронных компенсаторов равна 1,8-2, для других синхронных машин - 1,4-1,6.

Системы возбуждения должны быть быстродействующими. Номинальная скорость нарастания напряжения возбудителя, т.е. изменение напряжения от номинального до максимального, должна быть 1 - 1,5 с для крупных машин, а для остальных 0,8-1 с.

Регулирование тока возбуждения, как правило, осуществляется путем изменения напряжения возбудителя. Так как возбудитель не насыщен, ток возбуждения изменяется пропорционально напряжению. Только в синхронных машинах небольшой мощности регулирование тока возбуждения осуществляется реостатами.

Гашение поля при аварийных режимах обеспечивается ЛГП за 0,8-1,5 с. Обычно сопротивление, на котором происходит гашение поля, в 5 раз превышает сопротивление контура возбуждения, а напряжение на нем в переходном процессе не превышает более чем в 5 раз напряжение возбуждения.

Наряду с системами возбуждения, рассмотренными выше, применяются системы возбуждения от высших гармоник и обратной последовательности.

В воздушном зазоре электрической машины существует бесконечный спектр гармоник поля, которые вращаются со скоростью, отличающейся от основной гармоники, или вращаются в противоположном направлении по отношению к основной гармонике. Высшие гармоники поля наводят в обмотках ротора напряжения, зависящие от скольжения и амплитуды гармоники. Если закоротить обмотки ротора выпрямителями, в них будет протекать пульсирующий ток высших гармоник, который создаст постоянный поток возбуждения (рис. 4.81).

Обычно для возбуждения используется 3-я гармоника поля и выполняется специальная обмотка на роторе с числом полюсов, в 3 раза большим по отношению к основной гармонике. С возбуждением от 3-й гармоники выпускается серия синхронных генераторов ЕС мощностью до 100 кВт.

Представляет интерес использование для возбуждения обратного поля. В однофазных двигателях при возбуждении от обратной последовательности (см. рис. 4.81) могут быть получены массогабаритные и энергетические характеристики, близкие к характеристикам трехфазных асинхронных двигателей.

Рис. 4.81.

Системы возбуждения синхронных машин весьма разнообразны и во многом определяют конструкцию синхронной машины. Некоторые видоизменения систем возбуждения будут рассмотрены при изучении специальных синхронных машин.

Электроприводы с синхронными двигателями можно разделить на три класса из условий формирования нагрузок: электроприводы с неизменной или медленно меняющейся нагрузкой, электроприводы с пульсирующей нагрузкой, электроприводы с резкопеременной нагрузкой. Основные технические характеристики синхронных электроприводов в зависимости от типа возникающей нагрузки приведены в табл. 6.1.

Как следует из табл. 6.1, в электроприводах с пульсирующей и резкопеременной нагрузкой необходимо осуществлять автоматическое регулирование возбуждения синхронного двигателя. Системы автоматического регулирования возбуждения обеспечивают устойчивую работу синхронного двигателя при набросах нагрузки или при снижении напряжения питающей сети. В этих случаях системы автоматического регулирования возбуждения увеличивают ток возбуждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент синхронного двигателя. Кроме того, изменение тока возбуждения синхронного двигателя позволяет регулировать реактивную мощность статорной цепи двигателя.

Таблица 6.1

Типы нагрузок	Механизмы	Диапазон мощностей	Автоматическое регулирование тока возбуждения
Неизменная	Вентиляторы Воздуходувки Компрессоры	Юч-ЮОО кВт	Не требуется
Пульсирующая	Станки-качалки Поршневые компрессоры		Необходимо
Резкоперсменная	Дробилки Мельницы Прокатные станы Ножницы Пилы	1004-10000 кВт	Необходимо

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора синхронного двигателя путем изменения его тока возбуждения иллюстрируется векторными диаграммами, приведенными на рис. 6.14.

Рис. 6.14. Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных токах обмотки возбуждения: а - ток возбуждения меньше номинального; б - ток возбуждения равен номинальному; в - ток возбуждения больше номинального

Векторная диаграмма рис. 6.14, а соответствует току обмотки возбуждения меньше номинального, при этом вектор тока статора /, отстает от вектора напряжения сети LJ X на угол ср. Реактивная мощность активно-индуктивная. При увеличении тока возбуждения (рис. 6.14, б) ЭДС Е } , наводимая в обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при котором ток статора /, будет совпадать по фазе с напряжением (/, то есть costp = 1. Реактивная мощность равна нулю. Если ток обмотки возбуждения еще увеличить, то вектор тока статора /, будет опережать по фазе вектор напряжения 6/, (работа с опережающим coscp) и синхронный двигатель будет эквивалентен активно-емкостной нагрузке, включенной параллельно с сетью (рис. 6.14, в).

На рис. 6.15 приведены ^/-образные характеристики. Они показывают зависимость тока статора /, синхронного двигателя от тока возбуждения / в при различных нагрузках на валу двигателя (М с! При численных значениях параметров 67-образные характеристики позволяют правильно выбрать ток возбуждения, для того чтобы обеспечить необходимый режим работы синхронного двигателя.

В настоящее время на практике применяются системы автоматического регулирования возбуждения. В зависимости от схемных решений системы автоматического регулирования тока возбуждения могут выполнять следующие основные функции:

• обеспечивать устойчивую работу синхронного двигателя при заданных режимах нагрузки;
• поддерживать оптимальное напряжение в узле нагрузки, к которому подключен синхронный двигатель;
• обеспечивать минимум потерь энергии в синхронном двигателе и системе электроснабжения.

Рис. 6.15.

При выборе схем автоматического регулирования тока возбуждения руководствуются следующими положениями:

• в электроприводах с неизменной нагрузкой и незначительными колебаниями напряжения питающей сети установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения, как правило, не предусматривается;
• в электроприводах с пульсирующей нагрузкой или ударной нагрузкой необходима установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения. Ток возбуждения таких двигателей регулируется в функции активного тока статора, что позволяет значительно повысить перегрузочную способность двигателя, а в ряде случаев уменьшить его установленную мощность;
• при работе синхронного двигателя с резкопеременной нагрузкой также необходима установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения, однако в этом случае система регулирования должна реагировать не только на изменение нагрузки, но также и на скорость этого изменения.

Простейшая схема системы автоматического регулирования тока возбуждения для электроприводов с пульсирующей нагрузкой приведена на рис. 6.16. Система позволяет обеспечить возбуждение синхронного двигателя во всех штатных режимах его работы. При изменении нагрузки на валу двигателя возрастает и ток обмотки статора /, что

приводит к росту сигнала положительной обратной связи по току U oc[

и, как следствие, - к увеличению напряжения управляемого выпрямителя и росту тока возбуждения синхронного двигателя.

Рис. 6.16.

Учитывая пропорциональность между ЭДС и магнитным потоком Ф, а следовательно, и током обмотки возбуждения / в, уравнение (1.71) можно записать в следующем виде:

где к в - коэффициент пропорциональности между потоком Ф и током возбуждения 1 а.

Анализ (6.10) показывает, что увеличение тока возбуждения вызывает рост максимального момента синхронного двигателя. Следовательно, автоматическая регулировка возбуждения приводит к повышению динамической устойчивости синхронного двигателя при изменении нагрузки на его валу и демпфированию качания ротора.

Поддерживать оптимальное напряжение в узле нагрузки, к которому подключен синхронный двигатель, также возможно с помощью систем автоматического регулирования тока возбуждения.

Для улучшения показателей работы разветвленной промышленной сети производят компенсацию реактивной мощности путем установки синхронных двигателей или синхронных компенсаторов . На рис. 6.17 показана схема узла нагрузки, к которому подключены потребители, генерирующие и потребляющие реактивную мощность.

Рис. 6.1 7.

Индуктивный реактивный ток / р равен сумме реактивных токов п

потребителей (трансформаторов; асинхронных двигателей; двигателей постоянного тока, питающихся от регулируемых преобразователей) и определяется по выражению

где / . - реактивный ток /-й нагрузки.

Для полной компенсации реактивной мощности в сети необходимо выполнить условие

Реактивный ток синхронной машины, необходимый для компенсации падения напряжения сети:

где Х п - эквивалентное фазное реактивное сопротивление сети с учетом всех потребителей:

AU C - падение напряжения сети; - фазное напряжение сети;

- суммарное фазное сопротивление всех потребителей электрической энергии, кроме синхронного двигателя; р, - электрическая проводимость участка цепи; U, t - линейное напряжение сети; S K с -

мощность короткого замыкания сети.

Современные системы автоматического регулирования тока возбуждения синхронных двигателей, предназначенных для компенсации реактивной мощности, строятся по принципу подчиненного регулирования координат и предусматривают регулирование трех переменных: тока возбуждения, падения напряжения на эквивалентном фазном реактивном сопротивлении сети, реактивного тока статора синхронного двигателя. Функциональная схема такой системы приведена на рис. 6.18.

Рис. 6.18.

Внутренний контур обеспечивает регулирование тока возбуждения с помощью регулятора тока возбуждения РТВ. Заданием на ток возбуждения синхронного двигателя является выходной сигнал U pj регулятора

реактивного тока РРТ. Из этого сигнала вычитается напряжение обратной связи по току возбуждения синхронного двигателя. Выходной сигнал?/ ртв регулятора тока возбуждения воздействует на управляемый

выпрямитель УВ, изменяя ток возбуждения / в синхронного двигателя.

Регулятор реактивного тока входит во второй контур - контур регулирования реактивного тока I . На его входе суммируются сигналы

отрицательной обратной связи по реактивному току (7 орт и сигнал задания на реактивный ток - с выхода регулятора напряжения PH.

На входе регулятора напряжения PH суммируются сигналы отрицательной обратной связи по напряжению U on . Обратная связь по напряжению сформирована из реактивного тока и эквивалентного фазного сопротивления сети: U 0H = I Х С1 . Регулятор напряжения адаптивный, пропорционального типа, изменяющий коэффициент усиления при снижении напряжения питающей среды ниже (0,8 -ь 0,85) U H .

Передаточные функции контуров регулирования и регуляторов токов получены при следующих основных допущениях:

Насыщение магнитной цепи синхронного двигателя не учитывается;

Управляемый выпрямитель - апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией

где к. ш - коэффициент усиления управляемого выпрямителя (тиристорного преобразователя); - постоянная времени запаздывания

тиристорного преобразователя; т в - число пульсаций напряжения тиристорного преобразователя за период напряжения питающей сети; со е -

угловая частота питающей сети, равная 314,15 с" 1 , при частоте питающей сети / с =50Гц; все постоянные времени фильтров и малые инерционности суммируются и заменяются одной постоянной времени.

Передаточные функции регуляторов в соответствии с модульным оптимумом:

Регулятор тока возбуждения

Регулятор реактивного тока

где Т - постоянная времени контура регулирования тока возбуждения; 7j ipp - постоянная времени контура регулирования реактивного тока; к яп - коэффициент передачи датчика тока возбуждения; R B - активное сопротивление обмотки возбуждения синхронного двигателя; к яря - коэффициент передачи датчика реактивного тока; к ся - коэффициент передачи синхронного двигателя, управляемого по цепи обмотки возбуждения изменением напряжения.

Компенсация форсирующего звена 7^ ртв р +1 в числителе передаточной функции регулятора тока возбуждения W pTB (p) выполняется внутри объекта регулирования - синхронного двигателя. Таким образом, в контуре регулирования реактивного тока не оказывается постоянной времени, которую требуется компенсировать, поэтому выполнение регулятора с пропорционально-интегральной характеристикой позволяет ликвидировать недостаток системы подчиненного регулирования.

Использование синхронного двигателя с автоматической регулировкой возбуждения позволяет поддерживать на заданном уровне реактивную мощность и напряжение в узле нагрузки. Задание в автоматический регулятор возбуждения на генерирование реактивной мощности является величиной переменной, зависящей от параметров и загрузки питающей сети.

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

– это электрические машины переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно.

Трехфазные синхронные генераторы – самые мощные электрические машины. Единичная мощность - синхронных генераторов на ГЭС - 640 МВт, а на ТЭС – 8 - 1200 МВт.

У синхронной машины одна из обмоток присоединена к электрической сети переменного тока, а вторая - возбуждается постоянным током. Обмотку переменного тока называют якорной.

Обмотка якоря преобразует всю электромагнитную мощность синхронной машины в электрическую и наоборот. Поэтому ее обычно располагают на статоре, который называют якорем. Обмотка возбуждения потребляет 0,3 - 2% от преобразуемой мощности, поэтому ее располагают обычно на вращающемся роторе, который называют индуктором и малую мощность возбуждения подводят через контактные кольца или устройства бесконтактного возбуждения.

Магнитное поле якоря вращается с синхронной скоростью n1 = 60f1/p, об/мин,

где p =1,2,3 ... 64 и т.д. - число пар полюсов.

При частоте промышленной сети f1 = 50 гц, ряд синхронных скоростей при различных числах полюсов: 3000, 1500, 1000 и т.д.). Так как магнитное поле индуктора неподвижно относительно ротора, то для непрерывного взаимодействия полей индуктора и якоря ротор должен вращаться с той же синхронной скоростью.

Конструкция синхронных машин

Статор синхронной машины с трехфазной обмоткой не отличается от конструкции , а ротор с обмоткой возбуждения бывает двух видов - явнополюсный и неявнополюсный. При больших скоростях и малом числе полюсов применяют неявнополюсные роторы, как имеющие более прочную конструкцию, а при малых скоростях и большом числе полюсов применяют явнополюсные роторы сборной конструкции. Прочность таких роторов меньше, но они проще в изготовлении и в ремонте.

Явнополюсный ротор:

Применяются в синхронных машинах с большим числом полюсов и соответственно относительно низкой n. ГЭС (гидрогенераторы). частота n от 60 до нескольких сотен об/мин. Самые мощные гидрогенераторы имеют диаметр ротора - 12 м при длине – 2,5 м, p – 42 и n= 143 об/мин.

Обмотка - в пазах ротора диаметр d = 1,2 – 1,3 м, активная длина ротора не более 6,5 м. ТЭС, АЭС (турбогенераторы). S=500 000 кВА в одной машине n=3000 или 1500 об/мин (1 или 2 пары полюсов).

Кроме обмотки возбуждения на роторе располагают демпферную или успокоительную обмотку, которую в синхронных двигателях используют для запуска. Эту обмотку выполняют аналогично короткозамкнутой обмотке типа "беличья клетка", только значительно меньшего сечения, так как основной объем ротора занимает обмотка возбуждения. В неявнополюсных роторах роль демпферной обмотки выполняют поверхности сплошных зубцов ротора и токопроводящие клинья в пазах.

Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель.

Смотрите также по этой теме:

Синхронная машина может работать генератором или двигателем. Синхронная машина может работать в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения.

Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Синхронный двигатель отличается от синхронного генератора лишь пусковой успокоительной обмоткой, которая должна обеспечивать хорошие пусковые свойства двигателя.

Схема шестиполюсного синхронного генератора. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник.

Режим генератора: двигатель (турбина) вращает ротор, на обмотку которого подается постоянное напряжение? возникает ток, который создает постоянное магнитное поле. Магнитное поле вращается вместе с ротором, пересекает статорные обмотки и наводит в них одинаковые по модулю и частоте ЭДС, но сдвинутые на 1200 (симметричная трехфазная система).

Режим двигателя: обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент Мвр, который приводит ротор во вращение со скоростью магнитного поля.

Механическая характеристика синхронного двигателя – зависимость n(M)– представляет собой горизонтальный отрезок прямой.

Массовое использование асинхронных двигателей с существенными недогрузками осложняет работу энергетических систем и станций: снижается коэффициент мощности в системе, что приводит к дополнительным потерям во всех аппаратах и линиях, а также и к их недоиспользованию по активной мощности. Поэтому возникла необходимость в применении синхронных двигателей, особенно для механизмов с приводами большой мощности.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosфи = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U 2 .

Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При эксплуатации синхронных двигателей возникли существенные трудности с их пуском. В настоящее время эти трудности преодолены.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при больших мощностях их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).