Конструкция, принцип действия и характеристики генератора и двигателя.

Общие сведения.

У синхронных электрических машин ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора, подобного статору асинхронной машины. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой обычно электромагнит или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную частоту вращения последнего независимо от момента на валу. Это свойство синхронных машин позволяем применять их в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной частотой вращения.

Распространенность синхронных двигателей не столь широка, как асинхронных, но в ряде случаев, например в металлургии для главных приводов непрерывной прокатки, они необходимы, единичная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает, нескольких десятков мегаватт. Основной областью применения синхронных машин является их работа в качестве промышленных операторов для выработки электрической энергии на электростанциях.

Единичная мощность современных электрогенераторов достигает 1500 МВ*А.

Устройство синхронной машины

Основными частями синхронной машины являются статор и ротор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укреплен внутри массивного корпуса. В пазах с внутренней стороны статора размещена в большинстве случаев трехфазная обмотка.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит - явнополюсный (рис. 41, где 1 - полюсы; 2 - полюсные катушки; 3 — сердечник ротора; 4 контактные кольца) или неявнополюсный (рис. 42, где 1 - сердечник ротора; 2 - пазы с обмоткой; 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. 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.

Рис. 41

Рис. 42

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). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения

n = 60f/р. (27)

При стандартной промышленной частоте 50 Гц максимальная частота вращения, соответствующая двухполюсной (р = 1) машине, будет 3000 об/мин. Это частота вращения современного турбоагрегата, состоящего из первичного двигателя - паровой турбины и неявнополюсного синхронного генератора (турбогенератора). У гидроагрегата 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 частот вращения генераторы к гидравлическим турбинам имеют значительно большую массу на единицу мощности - свыше 8 кг/(кВ•A), чем генераторы к паровым турбинам - менее 2, 5 кг/(кВ•А).

Ограничимся в дальнейшем анализом неявнополюсных машин.

Принцип действия СМ

Любая синхронная машина может работать в режимах генератора и двигателя. Режим работы синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины.

Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине, так же как и в асинхронной, магнитное поле статора, вращающееся с угловой скоростью ω.

Приближенное распределение магнитных линий вращающеюся магнитною поля статора в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора и двигателя показано соответстенно на рис. 43, а и б штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля статора показывает, что приближенно ею можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью ω нары полюсов Sс, Nс 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.

Рис. 43

Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора. Для того 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 (рис. 43, 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 нолем ротора создает 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 повернется на некоторый угол γ относительно оси полюсов статора против направления вращения (рис. 43, б). Вновь изменятся токи в обмотках статора и возникнут электромагнитные силы взаимодействия токов обмоток статора и магнитного ноля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины, т. е. синхронная машина переходит в режим двигателя.

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

24. Устройство и принцип работы машин постоянного тока.