Синхронные машины

7.4.1 Назначение и устройство синхронных машин. Синхронные машины используются в качестве:

- источников электрической энергии (генераторов);

- электродвигателей;

- синхронных компенсаторов.

С помощью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия на электростанциях.

Синхронные генераторы приводятся во вращение:

- на тепловых электростанциях (ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и др.) с помощью паровых турбин и называются турбогенераторами;

- на гидроэлектростанциях (ГЭС) с помощью гидротурбин и называются гидрогенераторами.

Синхронные генераторы применяются также в установках, требующих автономного источника электрической энергии (автомобильные электрические краны и др.).

Синхронная машина – электрическая машина, скорость вращения п которой находится в строго постоянном отношении к частоте f сети синусоидалыгого тока, с которой эта машина работает:

,

где р – число пар полюсов машины.

Синхронный компенсатор – синхронный двигатель, работающий вхолостую и дающий в сеть регулируемый реактивный ток, что дает возможность поддерживать высокий промышленных установок, заменяя громоздкие батареи конденсаторов.

Статор синхронной машины (рис.7.8) состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический магнитопровод 2. Для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничевание, магнитов провод набирают из листов электротехнической стали. В пазах магнита» провода уложена трехфазная обмотка 3. В подшипниковых щитах расположены подшипники, несущие вал 4. На валу размещен цилиндрический; магнитопровод 7 ротора, выполняемый из сплошной стали, в пазах которое го уложена обмотка возбуждения (ОВ) 8, питаемая постоянным током через два изолированных друг от друга и от вала контактные кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка возбуждения с магнитопроводом ротора по существу являются электромагнитом. Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения, невелика и составляет 1-3% от мощности всей машины.

На рисунке 7.8,а показана двухполюсная синхронная машина с неявно- выраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на скорости 3000 об/мин.

Синхронные машины с меньшими скоростями (1500, 1000, 750 об/мин и т.д.) имеют явно выраженные полюса, число которых тем больше, чем меньше скорость.

Рисунок 7.8. - Устройство синхронной машины с неявно выраженными полюсами (а) и ротора машины с явно выраженными полюсами (б).

На рисунке 7.8,б показан ротор четырехполюсной машины с явно выраженными полюсами (1), которые изготовляют из отдельных стальных листов или реже цельными и закрепляют на ободе 2 ротора. Отдельные части обмотки возбуждения 3 соединены между собой так, что северные и южные полюсы чередуются.

7.4.2 Принципы действия синхронных машин. При подключении обмотки возбуждения синхронной машины к источнику постоянного тока эта обмотка порождает магнитное поле с амплитудным значением магнитного потока (рис.7.8).

При вращении ротора с помощью первичного двигателя магнитное поле будет также вращаться.

В результате этого в трех фазах обмотки статора будут индуктироваться три ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120°, т.е. в обмотках статора генерируется трехфазная симметричная система ЭДС.

Действующее значение Е и частота f синусоидальной ЭДС, индуктируемой в одной фазе обмотки статора вращающимся магнитным полем определяются по формулам:

где w – число витков одной фазы обмотки статора.

,

где р – число пар полюсов магнитного поля ротора.

Для получения стандартной частоты 50 Гц синхронные генераторы изготавливаются с разными числами пар полюсов.

Турбогенераторы тепловых электростанций рассчитываются на скорость 3000 об/мин и имеют одну пару полюсов (р = 1).

Скорость вращения гидрогенераторов определяется высотой напора воды и для различных станций лежит в пределах от 50 до 750 об/мин, так что генераторы имеют от шестидесяти до четырех пар полюсов.

7.4.3 Основные характеристики синхронных генераторов. Важнейшими характеристиками генераторов являются (рис. 7.9):

- характеристика холостого хода;

- внешняя характеристика;

- регулировочная характеристика.

Рисунок 7.9. - Характеристики синхронного генератора: холостого хода (а), внешняя (б) и регулировочная (в)

Характеристика холостого хода показывает, как зависит ЭДС Е (напряжение холостого хода U_хх ) от тока возбуждения I_в.

Внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора от тока I через него (от тока нагрузки) при

Внешняя характеристика показывает, как изменяется напряжение на зажимах статорной обмотки генератора при изменении тока нагрузки I.

Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения I_в при изменении тока нагрузки I, чтобы поддерживать выходное напряжение генератора постоянным.