Синхронные машины, устройство, конструктивные особенности и области применения.

Синхронной машиной (СМ) называется такая машина, скорость вращения n которой находится в строго постоянном отношении к частоте сети f:

Устройство:

1) Якорь – неподвижная часть машины, состоящая из сердечника и уложенной в нём обмотки якоря. Якорь СМ имеет такое же устройство как и статор АМ. Трёхфазная (в общем случае m-фазная) обмотка якоря выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор. Сердечник якоря небольших машин набирается из цельных кольцевых пластин эл/техн стали, в крупных машинах кольцо составляется из сегментов. Сердечник крепится к станине при помощи ласточкиных хвостов. Обмотка якоря – двухслойная петлевая; в более крупных машинах – одновитковая стержневая волновая.

2) Индуктор – вращающаяся часть СМ, состоящая из ротора и обмотки возбуждения (ОВ), питаемую через два контактных кольца и щётки постоянным током от постороннего источника. Чаще всего в качестве постороннего источника используется генератор постоянного тока небольшой мощности (порядка 1% от мощности СМ), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с СМ. В малых машинах иногда вместо ОВ для создания основного магнитного потока используются постоянные магниты.

Конструктивные особенности:

1) Явнополюсные СМ.

Явнополюсные СМ имеют выступающие полюсы и изготовляются с числом полюсов 2p ≥ 4, поэтому имеют сравнительно небольшие скорости вращения.

Сердечники полюсов набираются из листов стали и стягиваются с помощью шпилек. В средних и крупных машинах полюсы крепятся к выступам вала, к втулке вала или к ободу крестовины с помощью Т-образных или ласточкиных хвостов. В малых машинах полюсы крепятся болтами. Обмотка возбуждения крупных машин наматывается из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки изолируются друг от друга изоляционными прокладками.

В полюсных наконечниках СМ, в соответствующих пазах, помещаются стержни пусковой обмотки из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.), которые привариваются по торцам к короткозамыкающим сегментам, а последние соединяются в общие короткозамыкающие кольца. Такая обмотка напоминает беличью клетку короткозамкнутого ротора АД и служит для асинхронного пуска СД. Такие же по конструкции обмотки, но из медных стержней изготовляются нередко в СГ и называются в этом случае демпферными обмотками. Демпферные или успокоительные обмотки предназначены для гашения колебаний частоты вращения ротора. Полюсы синхронных двигателей часто делают массивными из стальных поковок, в этом случае роль пусковой обмотки выполняют сами массивные полюса. Торцы наконечников соседних полюсов при этом соединяются в виде планок.

Явнополюсные СМ с горизонтальным валом обычно имеют аксиально-радиальную вентиляцию.

Иногда явнополюсные СМ имеют так называемую обращённую конструкцию, когда индуктор (полюсы) является неподвижным, а якорь вращается. Такие машины по устройству напоминают машины постоянного тока, у которых коллектор заменён тремя контактными кольцами для отвода тока из обмотки якоря. Для крупных машин обращённая конструкция невыгодна, так как отвод больших токов при большом напряжении с помощью колец и щёток затруднительно и сложно осуществить изоляцию якорной обмотки высокого напряжения.

Явнополюсные СМ применяются в качестве генераторов и двигателей, в частности, дизель-генераторов. Вал дизель-генератора жёстко соединяется с валом дизельного двигателя. Дизельный двигатель как поршневая машина имеет неравномерный вращающий момент, поэтому во избежание проблем при работе дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом.

Явнополюсные синхронные генераторы, сочленяемые с гидравлическими турбинами, называют гидрогенераторами. Различают три основных конструкции гидрогенераторов: капсульные, подвесные и зонтичные.

Капсульные гидрогенераторы имеют горизонтальный вал. Они маломощны (до нескольких десятков тысяч кВт), компактны, не требуют машинного зала и поэтому дешёвы. Гидравлическая турбина располагается горизонтально и имеет лопасти, расположенные под углом к потоку воды.

Подвесные и зонтичные гидрогенераторы являются вертикальными гидрогенераторами, валы которых могут непосредственно соединяться с гидравлическими турбинами. У подвесных гидрогенераторов подпятник расположен над ротором, а у зонтичных – под ним, благодаря чему удаётся снизить высоту агрегата и высоту машинного зала.

С вертикальным валом изготовляются также мощные СД для привода больших гидравлических насосов.

2) Неявнополюсные СМ.

Неявнополюсные машины имеют цилиндрический ротор, а не полюса с полюсными наконечниками как у явнополюсных машин. Ротор выполняется обычно из массивной стальной поковки, и в нём фрезеруются пазы для укладки ОВ. Неявнополюсные машины выпускаются с числом полюсов 2p = 2 и 2p = 4 и имеют поэтому большие скорости вращения.

Турбогенераторы – неявнополюсные (чаще всего двухполюсные) СМ, предназначенные для непосредственного соединения с паровыми турбинами на тепловых станциях. В связи с высокой скоростью вращения диаметр ротора турбогенераторов не может превышать 1,2-1,5 м, поэтому роторы выполняют длинными.

С неявнополюсными роторами выполняются также мощные СД с 2p = 2 – турбодвигатели.

Области применения:

Синхронная машина используется главным образом как генератор для производства электрической энергии переменного тока на электрических станциях, но в то же время она имеет широкое применение как двигатель, а также как синхронный компенсатор (синхронный двигатель в режиме холостого хода), используемый для улучшения cos φ сети.