§ 14. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Все генераторы переменного тока — это синхронные машины. Синхронные двигатели применяют реже асинхронных и только в тех случаях, когда при заданной мощности и режиме работы они оказываются экономичнее, чем асинхронные, или когда требуется привод с абсолютно жесткой механической характеристикой.

Рис. 67. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б): 1 — статор; 2 — ротор; 3 — обмотка якоря; 4 — обмотка возбуждения; 5 — щетки; 6 — контактные кольца

Устройство. Устройство и включение синхронной машины показано на рис. 67. В пазах статора 1 машины подобно тому, как это сделано у асинхронного двигателя, уложена трехфазная силовая обмотка 3. Начала фазных обмоток обозначены А, В, С; концы — X, Y, Z. На роторе 2 размещена обмотка возбуждения 4. Она соединена через кольца 6 и щетки 5 с источником постоянного тока. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3—3 % от номинальной мощности синхронной машины.

Принцип действия синхронного генератора. Постоянный магнитный поток, создаваемый током ротора, замыкается через сталь ротора, воздушные зазоры и сердечник статрра. Если ротор вращается, то создается вращающееся магнитное поле. Пересекая проводники фазных обмоток статора, это поле наводит в них переменную эдс Е.

Частота вращения ротора n₂ поддерживается постоянной, поэтому изменение эдс во времени определяется только распределением магнитной индукции вдоль окружности ротора. Это распределение носит синусоидальный характер, поэтому и в фазных обмотках статора индуцируются синусоидальные эдс, сдвинутые по фазе одна относительно другой на одну треть периода (120 эл. град). Если на роторе р пар полюсов, то за один его оборот р раз изменяется эдс и частота этого изменения f =рn₂/60. Для получения частоты 50 Гц двухполюсный генератор (р=1) должен делать 3000 об/мин.

При подключении обмотки статора к трехфазной нагрузке проходящий по ней ток создает вращающее магнитное поле с частотой вращения n₁, равной частоте вращения ротора n₂.

►   Суммарное магнитное поле вращается с той же частотой, с какой вращается ротор. Поэтому машина называется синхронной.

Магнитное поле токов статора, неподвижное относительно вращающегося ротора, взаимодействуя с постоянным током ротора, создает электромагнитный тормозной момент М, который должен быть уравновешен вращающим моментом первичного двигателя.

Чем больше активная составляющая тока статора I_а, тем больше мощность, преобразуемая в машине, т. е. электромагнитная мощность Р_эм генератора:

где =2n₁/60, E — эдс фазы обмотки статора.

►   Ротор может быть явнополюсным и неявнополюсным.

Явнополюсный ротор (рис. 68, а) используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Сердечники 1 делают либо массивными из стальных поковок, либо набирают из листов электротехнической стали. Их крепят к втулке вала или (при большом числе полюсов) к ободу крестовины. Обмотки возбуждения 2 выполняют в виде цилиндрических катушек из полосовой меди, которые укрепляют на сердечниках полюсов.

Рис. 68. Явнополюсный (а) и неявнополюсный (б) роторы синхронных машин: 1 — сердечник ротора; 2 — обмотка возбуждения

Машины, работающие с частотой вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют с неявнополюсным ротором (рис. 68, б), иначе невозможно обеспечить механическую прочность крепления полюсов 1 и обмотки возбуждения 2. Обмотку возбуждения размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки.

►   Синхронные генераторы подразделяются на турбо-, гидро- и дизель-генераторы.

Турбогенераторы приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами и выполняются неявнополюсными. Вал в них расположен горизонтально. Диаметр ротора по условиям механической прочности ограничен размерами 1 —1,5 м. Предельная длина ротора 7,5—8,5 м; она ограничена допустимым прогибом вала. При заданных ограничениях за счет увеличения электромагнитных нагрузок и повышения интенсивности охлаждения (применения водородного и водяного охлаждения) удалось создать турбогенераторы мощностью 800— 1200 МВт.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50—500 об/мин. Генераторы выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. В гидрогенераторах мощностью более 500 МВт диаметр ротора превышает 15 м при длине около 2 м. В мощных гидрогенераторах вал располагают вертикально. Турбина находится под генератором и фланцем сочленяется с его валом.

Дизель-генераторы приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания. Их изготовляют явнополюсными с горизонтальным расположением вала. Мощность таких генераторов бывает от нескольких киловольт-ампер до нескольких мегавольт-ампер при частотах вращения от 100 до 1500 об/мин.

Возбуждение. Обмотка возбуждения генератора через кольца и щетки получает питание либо от генератора постоянного тока (возбудителя), связанного с ротором синхронного генератора, либо от выпрямителей, подключаемых к сети. Для мощных синхронных генераторов применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. В этой системе в качестве возбудителя используют специальный синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе машины, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. При этом в цепи обмотки генератора отсутствуют скользящие контакты, что повышает надежность системы.

Синхронизация. Синхронные генераторы электростанций работают обычно параллельно с сетью. На время профилактических осмотров, ремонта или просто на время уменьшения нагрузки синхронный генератор может быть отключен от сети. Необходимым условием включения генератора на параллельную работу с сетью является его синхронизация, т. е. достижение совпадения чередования фаз, частот, начальных фаз и значений напряжения сети и генератора.

Момент совпадения фаз контролируют синхроноскопами. Для включения генераторов на параллельную работу используют автоматическую синхронизацию, которая позволяет регулировать напряжения и частоты так, как это необходимо.

►   Широкое распространение получил метод самосинхронизации, сущность которого заключается в том, что генератор включают в сеть невозбужденным при частоте вращения ротора, близкой к синхронной. Затем включают ток возбуждения и ротор генератора втягивается в синхронизм.

Параллельная работа с сетью. Энергетическое состояние синхронного генератора характеризуется углом  — углом поворота оси ротора относительно оси вращающегося магнитного поля. Чем больше нагрузка, тем больше угол .

Для увеличения активной мощности, выдаваемой генератором в сеть, следует увеличить момент первичного двигателя (подать больше пара в паровую турбину или воды в гидравлическую). Ротор в этом случае приобретает некоторое ускорение, угол возрастает, возрастает тормозной момент и устанавливается новое состояние равновесия при новом большем значении угла.

При увеличении возбуждения генератора возрастают эдс и ток, выдаваемый генератором в сеть. Однако это увеличение идет за счет реактивной составляющей тока, т. е. растет реактивная мощность.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя. Принципиальная схема устройства трехфазного синхронного двигателя такая же, как и генератора (см. рис. 67). Его трехфазную статорную обмотку подключают к сети трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения подают постоянный ток.

►   Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля, т. е. не зависит от нагрузки. Иначе говоря, двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.

При увеличении нагрузки двигателя возрастает угол  между осями ротора и поля (в режиме двигателя ротор следует за полем). По достижении максимального (опрокидывающего) момента ротор «выпадает из синхронизма» и останавливается.

Пуск синхронного двигателя. Для разгона синхронного двигателя применяют асинхронный пуск. Для этого на роторе имеется специальная короткозамкнутая пусковая обмотка: медные или латунные стержни, заложенные в полюсные наконечники и замкнутые накоротко' торцевыми кольцами. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор втягивается в синхронизм.

Регулирование реактивной мощности. Достоинством синхронных двигателей помимо абсолютно жесткой механической характеристики является их способность работать с соs=1 и даже с опережающим током, т. е. генерировать реактивную мощность. Для этого увеличивают возбуждение двигателей.

►   Применение синхронных двигателей позволяет повысить соs в системе и тем самым снизить потери при передаче электроэнергии.

Для повышения соs в системе применяют также синхронные компенсаторы — перевозбужденные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие вхолостую.

Потери и кпд синхронных машин. В синхронных машинах имеют место электрические потери в роторе и статоре, магнитные потери в сердечнике статора, механические потери на вентиляцию и трение вращающихся частей.

В двигателях большой мощности кпд достигает 0,95— 0,98; кпд мощных генераторов очень велик, достигая 0,99 при мощности ~ 1000 МВт.

Синхронные микродвигатели. Жесткость механической характеристики является главной причиной широкого распространения синхронных микродвигателей в установках автоматики, телемеханики, звукозаписи, телевидения и т. д. Конструкции этих двигателей разнообразны.

►   По принципу действия синхронный двигатель с постоянными магнитами не отличается от синхронного двигателя с возбуждением постоянным током.

Принципиальные отличия имеет синхронный реактивный двигатель. Его статор выполнен с трехфазной обмоткой (или обмоткой конденсаторного двигателя). На явнополюсном роторе нет обмотки возбуждения.

При включении двигателя вращающееся поле увлекает ротор с короткозамкнутой пусковой обмоткой и, когда ротор достигнет частоты вращения, близкой к синхронной, возникнет реактивный момент, который втягивает ротор в синхронизм. Магнитные силовые линии стремятся замкнуться по путям с наименьшим магнитным сопротивлением и на явнополюсный ротор действует синхронизирующий момент.

Ротор реактивного двигателя может быть и цилиндрический: в алюминиевый цилиндр ротора закладывают полосы мягкой стали, создающие необходимое различие в магнитном сопротивлении.

Вращающий момент гистерезисного двигателя создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора. В таком двигателе ось намагничивания ротора отстает от оси вращающегося поля на угол , чем и создаются тангенциальные составляющие силы взаимодействия ротора и поля. Эти двигатели имеют сравнительно большой пусковой момент, простую конструкцию, надежны и бесшумны.

Редукторные двигатели применяют в цепях повышенной частоты (до 30 кГц), что дает возможность получать частоты вращения от 60 до 5000 об/мин. Роторы таких двигателей выполнены без обмотки: имеется большое количество зубцов z, которые в принципе можно рассматривать как полюса.

Синхронная частота вращения ротора n₂=60·f₁/z, в то время как магнитное поле вращается с частотой n₁=60·f /p. Отношение

называется коэффициентом редукции.

Шаговые двигатели — это синхронные микродвигатели, обмотки статора которых питаются импульсным напряжением, подаваемым от какого-либо (например, электронного) коммутатора.

Под действием каждого такого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение — шаг.

Шаговые двигатели применяют в лентопротяжных устройствах для ввода и вывода информации, счетчиках, приводах станков с программным управлением.