Синхронные машины

Если во вращающемся магнитном поле разместить на валу ротора магнит так, чтобы ось, соединяющая его полюса, была направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то вращающееся магнитное поле вовлекает во вращение магнит вместе с валом ротора, который вращается синхронно с магнитным полем. Однако для этого необходимо раскрутить ротор до скорости вращения поля (условие синхронизма). На ротор действует вращающий момент, и энергия тока превращается в механическую энергию электродвигателя, который получил название синхронного.

Синхронные машины используются в качестве источников электрической энергии (генераторов), электродвигателей и синхронных компенсаторов.

Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помощью гидротурбин и носят название гидрогенераторов. Кроме электростанций синхронные генераторы находят применение в установках, требующих автономного источника питания.

Синхронные двигатели переменного тока используются с механизмами средней и большой мощности при редких пусках, требующих постоянной частоты вращения. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д.

Синхронный компенсатор предназначается для улучшения коэффициента мощности электротехнических установок (компенсации индуктивной реактивной мощности).

Дополнительно по теме

Асинхронный двигатель

Машины постоянного тока Трансформаторы

Схема замещения синхронного двигателя и векторная диаграмма

Конструкция

Конструктивно синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор представляет собой постоянный магнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки возбуждения осуществляется через скользящий контакт между контактными кольцами и неподвижными щетками. Особенностью синхронной машины является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Частота ЭДС переменного тока в синхронной машине зависит от частоты вращения ротора и числа пар полюсов, f1 = рn/60. Действующее значение ЭДС, индуцируемой в проводниках

Е = 4,44fKобмWФо.

Взаимодействие вращающегося поля статора и поля постоянного магнита ротора вызывает появление вращающего момента, вследствие чего ротор вращается в том же направлении, что и поле статора (n1=n). Скольжение синхронной машины равно нулю.

На рисунке Хс - синхронное индуктивное сопротивление; q - угол нагрузки

В соответствии со схемой уравнение имеет вид:

Характеристика зависимости момента двигателя от угла нагрузки имеет вид синусоиды и выражает работу как двигательного, так и генераторного режима.

С целью получения запаса устойчивости за номинальный момент синхронного двигателя принимается 0,5Мн, которому соответствует угол q=30°.

Важным преимуществом синхронного двигателя является способность регулировать потребляемую из сети реактивную мощность путем изменения тока возбуждения. Рассмотрим зависимости тока статора двигателя от тока возбуждения.

При перевозбуждении Iдв имеет емкостной характер, а при недовозбуждении - индуктивный. Таким образом, синхронный двигатель может быть использован в качестве компенсирующего устройства для регулирования реактивной мощности.

Характеристики имеют границу устойчивости, вдоль которой уменьшение тока возбуждения приведет к опрокидыванию двигателя или "выпаданию из синхронизма". Граница устойчивости соответствует режиму Мдв= Мген.

Недостатком синхронного двигателя является необходимость возбудителя для запуска, так как при равенстве синхронной частоты вращения поля статора и частоты вращения поля ротора пусковой момент отсутствует. Наиболее распространен асинхронный запуск. В этом случае на полюсах двигателя размещается короткозамкнутая обмотка. При пуске статор подключают к сети. Возникающее магнитное поле индуцирует в этой обмотке ЭДС и токи, в результате чего создается электромагнитный момент, как и у асинхронного двигателя. При этом обмотка возбуждения отключена от источника постоянного тока, но замкнута на активное сопротивление с целью уменьшения напряжения на ее зажимах при пуске. При достижении двигателем частоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуждения переключается на источник постоянного тока. В этом случае говорят, что двигатель "втянулся в синхронизм".

Генераторный режим синхронной машины

Так как выражения электромагнитной мощности и момента у синхронной машины аналогичны и в двигательном и в генераторном режимах, то достаточно рассмотреть генераторный режим синхронной машины.

При работе синхронной машины в качестве генератора можно регулировать магнитный поток Фо и пропорциональную ему Ео, изменяя ток возбуждения.

Зависимость Ео=f(Iв) называется характеристикой холостого хода генератора.

Остаточная ЭДС у синхронного генератора равна 5-10 В.

Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке,

При включении статора на сопротивление нагрузки по обмотке пойдет ток, который создаст поле, вращающееся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока ротора Фо. Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке, при индуктивной ток отстает на 90°, при емкостной опережает на 90°. Рост напряжения при емкостной нагрузке связан с подмагничивающим действием реакции якоря (статора), а снижение при индуктивной нагрузке - размагничиванием.

Упрощенное уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора без учета поля рассеяния якоря имеет вид:

где Ео - ЭДС холостого хода.

Данному выражению соответствуют схема замещения (рис. а) и векторная диаграмма (рис. б). Из диаграммы следует, что Ео соответствует магнитному потоку ротора Фо, а напряжение U - результирующему магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что в генераторном режиме Фо опережает Ф на угол q.

Основной режим работы генератора нагрузочный. Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря, получим из векторной диаграммы значение cosy между напряжением и Еo:

С учетом этого выражения получим зависимость для определения электромагнитной мощности:

Момент равен отношению мощности к частоте вращения:

Выражение в скобках соответствует максимальному моменту Мmax, причем.

Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения показаны на рисунке.

В синхронном генераторе с активно-реактивной нагрузкой при определении электромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока или напряжения. Тогда выражение для момента

Синхронный генератор в качестве источника электрической энергии переменного тока включают в распределительную сеть параллельно. При параллельной работе генератора с системой большой мощности его частота и напряжение, а также угловая скорость должны оставаться неизменными при любых изменениях как нагрузки, так и тока возбуждения и момента первичного двигателя. Активную мощность, отдаваемую генератором в сеть, можно регулировать только изменением момента первичного двигателя, а реактивную - изменением тока возбуждения.