Содержание:
Синхронный двигатель – это электрическая машина, работающая от переменного тока. Главная её особенность которой заключается в том, что скорость (частота), с которой вращается ротор, равна частоте вращения магнитного поля. Именно поэтому частота ротора остается неизменной вне зависимости от подключаемой нагрузки. Этого удается достичь благодаря тому, что ротор синхронного двигателя – это электромагнит (как вариант – постоянный магнит), чье число пар полюсов полностью совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Именно взаимодействие этих полюсов гарантирует постоянство угловой скорости, с которой вращается ротор, вне зависимости от момента, приложенного в любой момент к валу.
Рис. 1 Синхронный двигатель (разрез)
Основные части синхронного двигателя – это якорь (статор, неподвижная часть) и индуктор (ротор), разделенные воздушной прослойкой. В пазы статора закладывают трехфазную распределенную обмотку – обычно она соединяется «звездой».
Рис. 2 Схема синхронного двигателя
С началом работы двигателя тока, подаваемые в якорь, создают вращение магнитного поля, которое пересекает поле индуктора, что в результате взаимодействия двух полей переходит в энергию. Поле якоря чаще называют иначе – поле реакции якоря. В генераторах такое получают при помощи индуктора. Входящие в состав индуктора электромагниты постоянного тока принято называть полюсами. При этом индукторы во всех синхронных двигателях могут исполняться по двум схемам – явнополюсной и неявнополюсной, различающиеся между собой расположением полюсов. Чтобы уменьшить значение магнитного сопротивления и тем самым улучшить условия для прохождения магнитного потока, применяют ферромагнитные сердечники. Они располагаются в статоре и роторе, для их изготовления используют специальную марку стали – электротехническую, отличающую высоким содержанием кремния – это позволяет уменьшить вихревые токи и повысить электрическое сопротивление стали.
Рис. 3. Магнитные поля в синхронном двигателе
В основу работы синхронного двигателя положен принцип взаимного влияния полюсов индуктора и магнитного поля, индуцируемого якорем. При запуске осуществляется разгон двигателя до частоты, которая близка по своему значению частоте, с которой происходит в зазоре вращение магнитного поля. Только при выполнении этого условия двигатель переходит в функционирование в синхронном режиме. В данный момент пересекаются магнитные поля, инициируемые индуктором и ротором. Этот момент в технической литературе принято называть входом в синхронизацию.
Работа синхронного двигателя наглядно представлена на видео:
Длительное время в качестве разгонного двигателя использовался стандартный синхронный двигатель, который был механически соединен с синхронным. Благодаря этому, ротор на синхронном двигателе механически разгонялся до подсинхронной скорости, а затем уже самостоятельно, за счет взаимодействия электромагнитных полей, втягивался в синхронизм. Обычно при подборе мощности пускового двигателя исходили из соотношения 10-15% от номинальной мощности разгоняемого двигателя. Такого запаса мощности вполне хватало запустить синхронный двигатель не только в холостую, но даже и при незначительной нагрузке на валу.
Рис. 4 Синхронный двигатель (1) с внешним разгонным (2) двигателем
Такой способ разгона усложняет и существенно удорожает общую стоимость, поэтому в современных двигателях от него отказались в пользу разгона в состоянии асинхронного режима. В этом случае с помощью реостата (короткозамкнутым путем) обмотки индуктора замыкают, как в асинхронном двигателе. Чтобы провести запуск двигателя в таком режиме, на ротор устанавливают короткозамкнутую обмотку, выступающую одновременно и как успокоительная обмотка, устраняющая во время проведения синхронизации раскачивание ротора. В момент, когда скорость вращения достигнет требуемого номинального значения, в индуктор будет подан постоянный ток. Но для двигателей, в которых стоят постоянные магниты, все равно придется для разгона использовать внешние двигатели.
В криогенных синхронных машинах используется так называемая обращенная конструкция, при которой размещение индуктора и якоря выполнено наоборот, т.е. индуктор расположен на статоре, а якорь – на роторе. В таких машинах обмотки возбуждения состоят из материалов, обладающими свойствами сверхпроводимости.
В синхронном двигателе вращающий момент зависит от угла Ø, получающегося между полем статора и осями полюсов ротора и описывается формулой
М = Мм * sin Ø, в которой Мм – максимально возможное значение момента.
Для синхронной машины полученную зависимость М = f (θ) называют угловой характеристикой
Рис. 5 Угловая характеристика работы синхронного двигателя
Видно, что работа синхронного двигателя будет стабильна и устойчива на начальном участке, поэтому обычно выбирает угол Ø, не превышающий значение 30-35°. С ростом угла устойчивость работы существенно снижается, в точке В (Ø = 90, так называемая предельная точка), стабильная работа невозможна. Поэтому момент, который соответствует пределу устойчивости, принято называть опрокидывающим (максимальным) моментом.
Если нагрузка синхронного двигателя превысит Мм, то произойдет выпадение ротора двигателя из режима синхронизма, произойдет его остановка, машина переходит в аварийный режим. Именно поэтому, с учетом резервирования мощности, номинальный момент для двигателя подбирают меньше в 2-3 раза, чем опрокидывающий.
Несомненным преимуществом синхронных двигателей, если сравнивать их с асинхронными аналогами, является то, что возбуждение постоянным током от независимого источника позволяет работать им при высоком значении cosφ (коэффициента мощности) и даже при условиям с опережающим током. Такая особенность позволяет благодаря подключению синхронного двигателя поднять показатель cosφ для всей сети. Кроме того, следует отметить и другие преимущества:
В то же время, если сравнивать конструктивные особенности двух типов двигателей, синхронный и асинхронных, стоит отметить, что конструкция синхронных – сложнее, а значит они будут дороже при производстве. Так же существенным минусом для синхронных двигателей является необходимость наличия источника постоянного тока (выпрямитель или специальный возбудитель). Кроме того, по сравнению с асинхронным двигателем, пуск у них происходит гораздо сложнее. К недостаткам следует отнести и то, что единственная возможность регулировать (корректировать) угловую частоту вращения у синхронного двигателя – это частотное регулирование.
Рис. 6 Синхронные двигатели
В результате сравнительного анализа стоит сделать вывод, что преимущества, характерные для синхронных двигателей (особенно на высокомощных, больше 100 кВт двигателях ) значительно превосходят имеющиеся недостатки. Именно поэтому они получили подавляющее распространение в тех длительных технологических процессах, не требующих производить частые остановки/запуски и где нет необходимости регулировать частоту вращения. На сегодняшних день синхронные двигатели практически безальтернативный вариант для мельниц, насосов, компрессоров, вентиляторов, дробилок, нерегулируемых прокатных станах и в качестве привода для различных преобразовательных агрегатов.
При выборе конкретной модели синхронного двигателя основополагающими являются факторы:
44kw.com
Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.
Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.
Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.
В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.
Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.
Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.
В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.
Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.
Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.
Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.
При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.
При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.
Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.
Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.
У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.
Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.
Сам запуск агрегата может производиться разными способами:
Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.
В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.
Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.
Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.
electric-220.ru
Принцип действия синхронного двигателя примерно такой же, как и у асинхронного. Но есть несколько отличий, которые имеют ключевое значение при выборе мотора для той или иной конструкции. В промышленности получили широкое распространение асинхронные машины – их доля достигает 96% от общего количества электрических двигателей. Но это вовсе не говорит о том, что отсутствуют другие типы электрических агрегатов.
Главное отличие синхронной машины заключается в том, что скорость вращения якоря такая же, как и аналогичная характеристика магнитного потока. И если в асинхронных моторах используется короткозамкнутый ротор, то в синхронных имеется на нем проволочная обмотка, к которой подводится переменное напряжение. В некоторых конструкциях используются постоянные магниты. Но это делает двигатель дороже.
Если увеличивать нагрузку, подключаемую к ротору, частота вращения его не изменится. Это одна из ключевых особенностей такого типа машин. Обязательное условие – у движущегося магнитного поля должно быть столько же пар полюсов, сколько у электромагнита на роторе. Именно это гарантирует постоянную угловую скорость вращения этого элемента двигателя. И она не будет зависеть от момента, приложенного к нему.
Устройство и принцип действия синхронных двигателей несложны. Конструкция включает в себя такие элементы, как:
Между ротором и статором имеется прослойка воздуха. Она обеспечивает нормальное функционирование двигателя и позволяет магнитному полю беспрепятственно воздействовать на элементы агрегата. В конструкции присутствуют подшипники, в которых вращается ротор, а также клеммная коробка, расположенная в верхней части мотора.
Если кратко, принцип действия синхронного двигателя, как и любого другого, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. А конкретно – электрической в механическую. Работает мотор таким образом:
Вот и все. Теперь остается только использовать полученную механическую энергию в нужных целях. Но требуется знать, как правильно вывести в нормальный режим синхронный двигатель. Принцип работы у него отличается от асинхронного. Поэтому требуется придерживаться определенных правил.
Для этого электродвигатель подключают к оборудованию, которое необходимо привести в движение. Обычно это механизмы, которые должны работать практически без остановок – вытяжки, насосы и прочее.
Обратная конструкция – синхронные генераторы. В них процессы протекают немного иначе. Принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя отличаются, но не существенно:
Но в любом случае требуется стабилизировать напряжение на выходе генераторной установки. Для этого достаточно запитать роторную обмотку от источника, напряжение которого постоянно и не изменяется при колебаниях частоты вращения.
В конструкции ротора имеются постоянные или электрические магниты. Их обычно называют полюсами. На синхронных машинах (двигателях и генераторах) индукторы могут быть двух типов:
Они различаются между собой только взаимным расположением полюсов. Для уменьшения сопротивления со стороны магнитного поля, а также улучшения условий для проникновения потока, используются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков.
Эти элементы располагаются как в роторе, так и в статоре. Для изготовления используются только сорта электротехнической стали. В ней очень много кремния. Это отличительная особенность такого вида металла. Это позволяет существенно уменьшить вихревые токи, повысить электрическое сопротивление сердечника.
В основе конструкции и принципа действия синхронных двигателей лежит обеспечение влияния пар полюсов ротора и статора друг на друга. Для обеспечения работы нужно разогнать индуктор до определенной скорости. Она равна той, с которой вращается магнитное поле статора. Именно это позволяет обеспечить нормальную работу в синхронном режиме. В момент, когда происходит запуск, магнитные поля статора и ротора взаимно пересекаются. Это называется «вход в синхронизацию». Ротор начинает вращаться со скоростью, как у магнитного поля статора.
Самое сложное в работе синхронного мотора – это его запуск. Именно поэтому его используют крайне редко. Ведь конструкция усложняется за счет системы запуска. На протяжении долгого времени работа синхронного двигателя зависела от разгонного асинхронника, механически соединенным с ним. Что это значит? Второй тип двигателя (асинхронный) позволял разогнать ротор синхронной машины до подсинхронной частоты. Обычные асинхронники не требуют специальных устройств для запуска, достаточно только подать рабочее напряжение на обмотки статора.
После того, как будет достигнута требуемая скорость, происходит отключение разгонного двигателя. Магнитные поля, которые взаимодействуют в электрическом моторе, сами выводят его на работу в синхронном режиме. Для разгона потребуется другой двигатель. Его мощность должна составлять примерно 10-15 % от аналогичной характеристики синхронной машины. Если нужно вывести в режим электродвигатель 1 кВт, для него потребуется разгонный мотор мощностью 100 Вт. Этого вполне достаточно, чтобы машина смогла работать как в режиме холостого хода, так и с незначительной нагрузкой на валу.
Стоимость такой машины оказывалась намного выше. Поэтому проще использовать обычный асинхронный мотор, пусть и много у него недостатков. Но именно его принцип работы и был использован для уменьшения габаритов и стоимости всей установки. При помощи реостата производится замыкание обмоток на роторе. В итоге двигатель становится асинхронным. А запустить его оказывается намного проще – просто подается напряжение на обмотки статора.
Во время выхода на подсинхронную скорость возможно раскачивание ротора. Но это не происходит за счет работы его обмотки. Напротив, она выступает в качестве успокоителя. Как только частота вращения будет достаточной, производится подача постоянного напряжения на обмотку индуктора. Двигатель выводится в синхронный режим. Но такой способ можно воплотить только в том случае, если используются моторы с обмоткой на роторе. Если там применяется постоянный магнит, придется устанавливать дополнительный разгонный электродвигатель.
Основное преимущество (если сравнивать с асинхронными машинами) – за счет независимого питания роторной обмотки агрегаты могут работать и при высоком коэффициенте мощности. Также можно выделить такие достоинства, как:
Но вот имеется один большой недостаток – сложная конструкция. Поэтому при производстве и последующих ремонтах затраты окажутся выше. Кроме того, для питания обмотки ротора обязательно требуется наличие источника постоянного тока. А регулировать частоту вращения ротора можно только с помощью преобразователей – стоимость их очень высокая. Поэтому синхронные моторы используются там, где нет необходимости часто включать и отключать агрегат.
fb.ru
Устройство, конструкция и разновидности синхронных машин
Синхронной машинойназывается такая машина переменного тока, ротор которой вращается с такой же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое статорной многофазной обмоткой переменного тока, т.е. с синхронной скоростью
n1 = 60f/p.
Ту часть синхронной машины, в которой наводится ЭДС, принято называть якорем. Электромагниты (полюса) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему, называемую индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор – полюсной системой. Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключается в том, что в этом случае возможно осуществить
более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто без скользящих контактов, соединить ее с мощной сетью переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на большие мощности и высокие напряжения.
Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока к вращающейся обмотке возбуждения, размещенной на полюсах, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю номинальной мощности синхронной машины (0,3…2,0)% Рном.
Статор синхронных машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины — чугунного или сварного из листовой стали кожуха.
В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машине приходится работать обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.
Рисунок 1 – Внешний вид статора синхронной машины (генератор)
При частоте вращения 1500 и 3000 об/мин синхронную машину, как правило, изготовляют с неявнополюсным ротором. Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.
На наружной поверхности массивной бочки, изготовленного из стальной поковки, фрезеруются пазы прямоугольной или трапециидальной формы. Обмотку возбуждения, выполненную из полосовой меди, в такой машине размещают в пазах и укрепляют немагнитными металлическими клиньями.
Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью массивных кольцевых бандажей.
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).Для получения в воздушном зазоре приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку
возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.
Концы обмотки возбуждения выводят к двум контактным кольцам, расположенным на валу и изолированным как друг от друга, так и от тела ротора.
Рисунок 2 – Схема устройства синхронной машины с неявнополюсным ротором
Рисунок 3 – Общий вид неянополюсного ротора в сборе
Явнополюсный ротор используют в тихоходных машинах с четырьмя полюсами и более . Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде катушек прямоугольного сечения, размещенных на сердечниках полюсов. Сердечник каждого полюса выполняют массивным или в виде пакета, набранного из листов электротехнической стали. С одной
стороны он имеет шихтованный полюсный наконечник, а с другой стороны прочно закреплен на ободе ротора. Полюсный наконечник обрабатывают таким образом, что воздушный зазор между ним и поверхностью статора получается неравномерным: он
минимален под серединой полюса и максимален у его краев. Неравномерный воздушный зазор позволяет приблизить к синусоиде распределение магнитной индукции в воздушном
зазоре.
Рисунок 4 – Схема устройства синхронной машины с явнополюсным ротором
В полюсных наконечниках явнополюсных синхронных двигателей размещают стержни пусковой обмотки, выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней замкнутых на торцах кольцами, применяют и в
синхронных генераторах. Ее называют демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. В турбогенераторах роль демпферной обмотки выполняет массивное тело ротора, в котором при пуске и переходных процессах возникают вихревые токи.
Рисунок 5 – Внешний вид явнополюсного ротора
К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25—1% от номинальной мощности синхронной машины. Номинальные напряжения возбудителей 60—350 В.
Рисунок 6 – Схема возбуждения синхронной машины
Имеются также синхронные машины с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью селеновых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора машины. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную э. д. с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение увеличивается. Применяется на синхронных машинах большой мощности.
Выполнение обмотки ротора зависит от системы охлаждения.
При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.
Воздушное охлаждение осуществляется при помощи вентиляторов, укрепленных на валу с обеих сторон ротора (для генераторов мощностью от 1,5 до 50 тыс. кВт) или расположенных под машиной в отверстии фундамента (для генераторов мощностью 100 тыс. кВт). Массы холодного воздуха, поступающие для вентиляции, во избежание загрязнения машины пылью проходят через фильтры.При замкнутой системе вентиляции машина охлаждается одним и тем же объемом воздуха. Воздух, пройдя через машину, нагревается и поступает в воздухоохладители, затем снова нагнетается в машину и т. д. Для целей охлаждения служит также система вентиляционных каналов, устроенных в отдельных частях машины. Наиболее эффективным способом охлаждения машины является водородное охлаждение. Водород, обладающий в 7,4 раза большей теплопроводностью, чем воздух, лучше отводит тепло от нагретых частей машины. Потери на трение о воздух при воздушном охлаждении составляют около 50°/о от суммы всех потерь в машине. Водород имеет удельный вес в 14,5 раза меньше, чем воздух. Поэтому трение о водород резко уменьшается. Водород способствует также сохранению изоляции и лаковых покрытий машины.
В современных турбогенераторах применяется косвенное охлаждение водородом, непосредственное внутреннее охлаждение водородом или водой.
При непосредственном внутреннем охлаждении проводники имеют внутренние каналы, по которым проходит водород или вода. В этом случае тепло от меди отводится непосредственно водородом или водой из активной зоны машины. При косвенном
охлаждении тепловая энергия проходит через изоляцию обмотки, а затем отдается стальным частям машины и водороду, заполняющему внутренний объем турбогенератора.
Циркуляция водорода внутри машины осуществляется за счет забора водорода в зоне впуска газа и выброса его в горячей зоне. В конструкции большинства турбогенераторов применяется многоструйная радиальная система охлаждения, перемещение водорода осуществляется с помощью вентиляторов, размещенных на роторе.
Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока, их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках.
Принцип действия
Двигательный режим
Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля 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 щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)
Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. 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 «вошёл в синхронизм».
Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.
В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.
Существуют комбинированные варианты, в которых на роторе, вместе с постоянными или электромагнитами, установлены короткозамкнутые обмотки. Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.
Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.
Генераторный режим
Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 электрических градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.
Синхронные генераторы
Конструкция синхронного генератора определяется типом привода, в зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы.
Турбогенераторы– быстроходные неявнополюсные машины (цилиндрический ротор) выполняются, как правило, с двумя полюсами, приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами (рисунок 7).
Гидрогенераторы – в
большинстве случаев тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и вертикальным валом, приводятся во вращение гидротурбинами.
Дизель-генераторы, представляющие собой в основном синхронные машины с горизонтальным валом, приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания.
Рисунок 7 – Турбогенератор
Статор синхронного генератора промышленной частоты по своему устройству в принципе не отличается от статора асинхронной машины. Его сердечник набирают из штампованных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, в пазах
сердечника укладывают трехфазную обмотку. Вдоль оси статор разделен
вентиляционными радиальными каналами. Крайние пакеты сердечника статора укреплены нажимными плитами.
Гидрогенераторы– явнополюсные синхронные машины, приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50÷500 об./мин., поэтому для получения напряжения частотой 50 Гц их выполняют с большим числом полюсов. В генераторах мощностью 590-640 МВ·А диаметр
ротора достигает 16 м, при активной длине 1,75 м.
Гидрогенераторы – электрические машины индивидуального исполнения, имеющие большое многообразие конструктивных решений. Наибольшее распространение получили вертикальные гидрогенераторы подвесного типа (рисунок 8а), вертикальные гидрогенераторы
зонтичного типа (рисунок 8б) и горизонтальные гидрогенераторы капсульного типа .
Рисунок 8 – Схемы гидрогенераторов подвесного (а) и зонтичного (б) типов
В гидрогенераторах вертикального исполнения вес вращающей части агрегата и давления воды на рабочее колесо турбины воспринимаются упорным подшипником-подпятником. Это самый ответственный узел гидрогенератора, так как он должен
выдержать значительные усилия: в тихоходных генераторах большой мощности давление на подпятник измеряется несколькими тысячами тонн.
В гидрогенераторе зонтичного типа подпятник находится ниже сердечника ротора, а подвесного типа – выше.
В подвесном типе достигается наибольшая механическая устойчивость вращающегося ротора, но для опоры подпятника требуется массивная верхняя крестовина. Поэтому, как правило, он применяется в сравнительно быстроходных гидрогенераторах, имеющих ограниченные диаметр статора и нагрузку подпятника. Крестовины в гидрогенераторах этого типа представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок.
При очень больших диаметрах статора и давлении в подпятнике (тихоходные генераторы) более рациональным является зонтичный тип Подпятник в таких машинах опирается на нижнюю крестовину, имеющую меньшие радиальные размеры, чем верхняя крестовина. В некоторых гидрогенераторах зонтичного типа подпятник
располагается непосредственно на крышке турбины. Зонтичный генератор получается несколько меньшей высоты, чем подвесной. Кроме подпятника, ротор имеет еще направляющий подшипник, воспринимающий только радиальные усилия.
Ротор вертикального гидрогенератора с помощью фланца скрепляют с ротором турбины, вследствие чего роторы имеют общие подшипники. В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины: возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор,
предназначенный для питания электродвигателей автоматического масляного регулятора турбины.
В гидрогенераторах большой мощности в ряде случаев применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При
тех же основных геометрических размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение. Чаще применяют систему смешанного
непосредственного охлаждения
Гидрогенераторы мощностью меньшей нескольких десятков мВ·А, выполняют обычно с горизонтальным валом. В последнее время значительное применение получили гидрогенераторы капсульной конструкции, которые окружены водонепроницаемой оболочкой – капсулой. При таком исполнении генератор и турбина
образуют единую конструкцию, а поток воды, проходящий через турбину, омывает капсулу, что способствует более интенсивному ее охлаждению. Капсульные гидрогенераторы устанавливают на низконапорных гидроэлектростанциях, что позволяет существенно уменьшить объем здания электростанции.
В современных синхронных генераторах широко применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения синхронного генератора отсутствуют скользящие контакты, что
существенно повышает надежность системы возбуждения.
В настоящее время в синхронных генераторах широко применяют
компаундирование, т.е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазного компаундирования. В генераторах значительной мощности более точное регулирование обеспечивается системой с токовым компаундированием и корректором
напряжения.
Синхронные компенсаторы
Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.
Синхронные компенсаторы, как правило, имеют горизонтальное исполнение вала. Наиболее часто встречающиеся скорости для достаточно мощных компенсаторов – 750, 1000 об/мин, при которых машина выполняется явнополюсной. Диаметр ротора ограничен максимально допустимой скоростью на поверхности ротора и не превосходит
2.5 м. При таких размерах сердечник ротора собирается из толстых стальных листов электротехнической стали, стягиваемых в осевом направлении шпильками, и непосредственно насаживается на вал. Полюса этих машин имеют такую же конструкцию, как и в гидрогенераторах. Для синхронных компенсаторов характерно наличие роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен передавать значительный
вращающий момент. Синхронные компенсаторы устанавливают в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом,
герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала в этих машинах не требуется. Компенсатор имеет принципиально ту же конструкцию статора, что и турбогенератор.
При мощности до 25 МВ·А синхронные компенсаторы имеют воздушное
охлаждение, а при больших мощностях – водородное. На валу компенсатора расположены вентиляторы, которые обеспечивают циркуляцию охлажденного газа.
Синхронные электродвигатели
Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.
Синхронные двигатели выполняют с горизонтальным расположением вала. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявнополюсными. Эти машины изготовляются с применением щитовых или стояковых подшипников. Охлаждение двигателей воздушное, с самовентиляцией. В тихоходных машинах на ободе ротора у каждого полюса устанавливаются небольшие лопатки, заменяющие собой вентилятор.
На полюсах двигателей и синхронных компенсаторов, кроме обмотки
возбуждения, всегда располагается демпферная обмотка, с помощью которой осуществляется пуск синхронной машины. В зависимости от условий пуска стержни демпферной обмотки могут быть медными и латунными.
ЛИТЕРАТУРА
1. Копылов И.П. Электрические машины – М.: Высш.шк., Логос, 2000. 607 с.
2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: Энергия, 1980. 970 с.
3. Токарев Б.Ф. Электрические машины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 670 с.
superbotanik.net
