|
Синхронная машина — это
электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой
равна или кратна частоте вращения вращающегося в зазоре магнитного поля,
создаваемого током якорной обмотки. Принцип действия синхронных машин
основан на явлении электромагнитной индукции при взаимодействии
магнитных полей .
 Общее устройство синхронных машин
Основными частями синхронной
машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения).
Якорь представляет собой одну
или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в
якорь, создают вращающееся магнитное поле (так называемое поле реакции
якоря), которое сцепляется с полем индуктора и таким образом происходит
преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создается
переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.
Индуктор состоит из полюсов -
электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы
синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или
неявнополюсную. Явнополюсная отличается тем, что полюса ярко выражены и
имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При
неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы
сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин
с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется
место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб).
Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы
уменьшить механическую нагрузку на полюса.
Для уменьшения магнитного
сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока
применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они
представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали
(то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь
обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное
содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и
уменьшить тем самым вихревые токи Фуко.
Синхронный
двигатель
Принцип действия синхронного
двигателя основан на взаимодействии вращающегося переменного магнитного
поля якоря и постоянных магнитных полей полюсов индуктора. Обычно якорь
расположен на статоре, а индуктор - на роторе. В мощных двигателях в
качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся
через скользящий контакт), в маломощных - постоянные магниты. Есть
так-же обращенная конструкция двигателей, где якорь расположен на
роторе, а индуктор - на статоре (в устаревших двигателях, а так же в
современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках
возбуждения используются сверхпроводники)
Двигатель требует разгона до
номинальной скорости вращения или частотного пуска, прежде чем может
работать самостоятельно. При такой скорости вращающееся магнитное поле
якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор
расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле
вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля
индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле
вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно
вращающегося магнитного поля якоря (статора)) -- это называется "вошел в
синхронизм". Для разгона до номинальной скорости обычно используется
дополнительный двигатель (чаще всего асинхронный). Так-же используется
частотный пуск, когда частоту тока якоря постепено увеличивают от очень
малых до номинальных величин.
Частота вращения
 (об/мин)
синхронного двигателя напрямую связана с частотой тока питающей сети
соотношением,
где
 — число пар полюсов машины.
Синхронные двигатели обладают
ёмкостной нагрузкой, поэтому их выгодно использовать для компенсации
индуктивной нагрузки (повышения коэффициента мощности). Синхронные
двигатели применяют там, где нет необходимости частого пуска/остановки и
регулирования скорости вращения (например в системах вентиляции).
Синхронный генератор
Обычно в синхронных генераторах
якорем является статор, а индуктором - ротор. В индуктор через щётки
подают постоянный ток, вращают ротор, тем самым создавая вращающееся
магнитное поле, под действием которого в якоре индуцируется переменный
ток, который отдаётся в сеть.
Частота вырабатываемого тока
(Гц) напрямую связана с частотой вращения ротора
(об/мин) соотношением:
где
— число пар полюсов машины.
Разновидности синхронных машин:
-
Гидрогенератор - явно полюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки
электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких
скоростях вращения).
-
Турбогенератор -
неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки
электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины (при
скоростях вращения ротора 6000, 3000, 1500 об/мин.).
-
Компенсатор - синхронная
электрическая машина (в большинстве случаев неявнополюсная),
предназначенная для выработки реактивной мощности (представляет из
себя синхронный двигатель на холостом ходу, генерирование реактивной
мощности регулируется током возбуждения обмотки индуктора).
Асинхронизированные
синхронные машины
Асинхронизированные синхронные
машины - различные синхронные машины, имеющие несколько обмоток
возбуждения и за счет этого допускающие несинхронные режимы работы (то
есть такие, когда электромагнитное поле в воздушном зазоре и ротор
вращаются с разными скоростями). Это уникальная отечественная
разработка, идеи которой уходят к шестидесятым годам ХХ века. Их
основное преимущество - это высокая устойчивость (то есть они не
выпадают из синхронизма при переходных процессах и сложных режимах
работы) и возможность устойчивой нормальной работы в режиме глубокого
потребления реактивной мощности, что не реализуется в обычных синхронных
машинах в виду их выпадения из синхронизма, а в случае если устойчивость
и может быть достигнута (что реализуется, например, применением сложных,
быстродействующих систем сильного регулирования), то такой режим
является анормальным ввиду перегрева обмоток (в первую очередь в
торцевой зоне сердечника статора). |
