Область применения синхронных электродвигателей
Синхронные электродвигатели отличаются от асинхронных гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой. Изменения тока возбуждения позволяет регулировать в них нагрузку. В отличие от асинхронных двигателей в синхронных при ударных нагрузках сохраняется постоянство частоты вращения, что позволяет их использовать в различных механизмах в металлургической и металлообрабатывающей промышленности.
Двигатели с синхронным типом действия способны развивать мощность до 20 тысяч кВт, что очень важно для приведения в действие исполнительных механизмов мощных обрабатывающих станков в машиностроении и других отраслях производства. Например, в высокопроизводительных гильотинных ножницах, где имеются большие ударные нагрузки на ротор электродвигателя.
Синхронные электрические двигатели с успехом используются в качестве источников реактивной мощности в узлах нагрузки для поддержания стабильного уровня напряжения. Довольно часто двигатели с синхронным принципом действия используются в качестве силовых машин в компрессорных установках большой производительности.
Мощные двигатели выполняются с использованием системы встречной вентиляции, при которой лопасти вентилятора расположены на роторе. Экономичный и надежный синхронный двигатель обеспечивает производительную и экономичную работу насосного оборудования.
Важной характеристикой синхронных электрических машин является сохранение постоянной скорости вращения, что важно для вращения приводов в виде насосов, компрессоров, вентиляторов, и различных генераторов переменного тока. Ценным также является возможность регулирования реактивного тока за счет вариаций тока возбуждения обмоток якоря. Благодаря этому увеличивается показатель косинуса φ при всех диапазонах работы, что увеличивает кпд двигателей и снижает потери в электрических сетях.
Сами двигатели с синхронным принципом действия устойчивы к колебаниям напряжения в сети, и обеспечивают постоянство скорости вращения при их возникновении. Синхронные электродвигатели при понижении питающего напряжения сохраняют большую перегрузочную способность, по сравнению с асинхронными. Способность к форсированию тока возбуждения при понижениях напряжения повышает надежность их работы при аварийных снижениях питающего напряжения в электрической сети.
Синхронные электрические машины рентабельны при мощностях свыше 100 кВт и основное применение находят для вращения мощных вентиляторов, компрессоров и других силовых установок. В качестве недостатков синхронных машин можно отметить их конструктивную сложность, наличие внешнего возбуждения обмоток ротора, сложность запуска и довольно высокие стоимостные характеристики.
Принцип действия синхронного электродвигателя основывается на взаимодействии вращения магнитного поля якоря с магнитными полями полюсов индуктора. Якорь обычно располагается на статоре, а индуктор на подвижном роторе. При больших мощностях полюсами служат электромагниты, при этом постоянный ток подается на ротор через скользящие кольцевые контакты.
В маломощных двигателях используются постоянные магниты, расположенные на роторе. Существуют также синхронные машины с обращенным принципом работы, когда якорь размещен на роторе, а индуктор на статоре. Однако такая конструкция применяется в двигателях старых конструкций.
Синхронные электрические машины могут работать в генераторном режиме, когда якорь расположен на статоре для удобства отбора генерируемого электричества. На этом принципе основаны мощные генераторы, работающие на гидроэлектростанциях.
Применение синхронных электродвигателей
Подписка на рассылку
Синхронные электродвигатели представляют собой машины, которые функционируют в том режиме, в котором работает двигатель. Это — генераторы переменного тока. Их применяют тогда, когда требуется двигатель, который работает при неизменной скорости.
Существует трехфазный синхронный электродвигатель. Он необходим, чтобы преобразовывать электрическую энергию переменного тока, которая подводится статором, в другой вид энергии — механический. Эта энергия в свою очередь передается на вал. Она нужна для привода определенных функционирующих машин.
Трехфазный электродвигатель запускается автоматически за счет выбора и установки той или иной последовательности в ходе управления цепями — как ротора, так и статора. В целом цепь, которая необходима для обеспечения запуска той или иной электрической машины, представляет собой магнит. Та цепь, которая заменена на постоянные магниты, необходима для запуска электродвигателей на постоянных магнитах. Этот вариант является достаточно интересным и привлекательным по целому ряду причин. Рассмотрим основные из них.
Благодаря появлению постоянных магнитов, энергетические показатели заметно повышаются, в том числе и КПД. Кроме этого, конструкция цепи становится более простой, а сам двигатель, как и его работа, становятся более надежными. Важно также, что электродвигатели на постоянных магнитах, а точнее сами магниты, не требуют электрического питания. А это означает, что в токосъемном узле, используемом для ротора, нет никакой необходимости.
Синхронные электродвигатели можно применять в тех системах, которые обладают значительной ударной нагрузкой. Благодаря этому двигатель вращается с постоянной частотой даже в те моменты, когда нагрузка является максимальной. Подобные электродвигатели применяют на различных металлургических заводах. При этом мощность доходит порой до 20 000 кВт.
Синхронные электродвигатели используют для привода тех насосов, которые обладают не только значительной мощностью, но и долгим режимом функционирования.
Рисунок 2. Синхронный электродвигатель Как же действует синхронный электродвигатель? В основе его действия лежит взаимодействие магнитных полей полюсов (как правило, расположенного в роторе) индуктора с магнитным полем якоря (обычно находящегося в статоре).
Чтобы электродвигатель начал функционировать сам, необходимо осуществить разгон до скорости вращения, которая является номинальной. Когда достигается данная скорость, можно сказать — «вошел в синхронизм». На практике это означает, что магнитные поля якоря и полюсов индуктора, о которых шла речь выше, сцепляются между собой.
У синхронных двигателей есть целый ряд достоинств. Так, если повысить ток возбуждения, можно сделать перегрузочную способность максимально высокой. Это возможно в случае, если достаточно резко и на короткое время увеличить нагрузку на валу электродвигателя. Помимо того, несмотря на то, какая нагрузка на валу в данный момент, скорость вращения электродвигателя будет постоянной. Правда, данная нагрузка не должна выходить за пределы перегрузочной способности этого двигателя.
Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного
Электрический двигатель — это устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в механическую. Конструктивно агрегат состоит из статора (фиксирован) и ротора (вращается). Первый создает магнитный поток, а второй крутится под действием электродвижущей силы (ЭДС).
Отличие – кратко простыми словами
Если говорить кратко и простыми словами, синхронный и асинхронный двигателя отличаются конструкцией роторов. Внешне понять какой перед вами электродвигатель практически невозможно, за исключением наличия дополнительных ребер охлаждения у асинхронных электродвигателей.
В устройстве, работающем на синхронном принципе, на роторе предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения.
У асинхронного мотора ток на ротор не подается, а формируется с помощью магнитного статорного поля. При этом статоры обоих агрегатов идентичны по конструкции и несут аналогичную функцию — создание магнитного поля.
Дополнительно в синхронном двигателе магнитные поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость.
У асинхронных агрегатов в роторных пазах имеются короткозамкнутые пластинки из металла или контактные кольца, обеспечивающие разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения.
Несмотря на видимую простоту, разобраться с этим вопросом сразу вряд ли получится, поэтому рассмотрим вопрос более подробно. Поговорим об особенностях и отличиях асинхронных и синхронных машин.
Синхронный двигатель (СД)
Синхронный двигатель — агрегат с индивидуальной конструкцией ротора и индуктором с постоянными магнитами. Отличается улучшенными характеристиками мощности, момента и инерции. Имеет ряд особенностей конструкции и принципе действия.
Устройство
Конструктивно состоит из двух элементов: ротора (вращается) и статора (фиксированный механизм). Роторный узел находится во внутренней части статора, но бывают конструкции, когда ротор расположен поверх статора.
В состав ротора входят постоянные магниты, отличающиеся повышенной коэрцитивной силой.
Конструктивно СД делятся на два типа по полюсам:
Конструктивно роторы бывают разными устройством и по конструкции.
В частности, магниты бывают:
Статор условно состоит из двух компонентов:
Обмотка статорного механизма бывает двух видов:
Форма электродвижущей силы электрического синхронного мотора бывает в виде:
Если говорить в целом, синхронный мотор состоит из следующих элементов:
Принцип работы
Сначала к обмоткам возбуждения подводится постоянный ток. Он создает магнитное поле в роторной части. Статор устройства содержит обмотку для создания магнитного поля.
Как только на статорную обмотку подается ток переменной величины, по закону Ампера создается крутящий момент, и ротор начинает вращаться с частотой, равной частоте тока в статорном узле. При этом оба параметра идентичны, поэтому и двигатель носит название синхронный.
Роторная ЭДС формируется, благодаря независимому источнику питания, что позволяет менять обороты и не привязываться к мощности подключенных потребителей.
С учетом особенностей работы синхронный электродвигатель не может запуститься самостоятельно при подключении к трехфазному источнику тока.
Сфера применения
Электродвигатель синхронного типа имеет широкую сферу применения, благодаря постоянству частоты вращения.
Эта особенность расширяет сферу его применения:
Преимущества и недостатки
После рассмотрения конструктивных особенностей, принципа работы и сферы применения СД подведем итог по положительным / отрицательным особенностям.
Пример СД2-85/37-6У3, 500кВт, 1000об/мин, 6000В.
СД2-85/37-6У3, 500кВт, 1000об/мин, 6000В
Асинхронный двигатель (АД)
Асинхронный (индукционный) электродвигатель, имеющий разную частоту вращения магнитного поля в статоре и скорости ротора. В зависимости от типа и настройки может работать в двигательном или генераторном режиме, режиме ХХ или электромагнитного тормоза.
Конструктивные особенности
Конструктивно асинхронные механизмы трудно отличить от синхронных. Они также состоят из двух основных узлов: статора и ротора. При этом роторный узел может быть фазным или короткозамкнутым. Но небольшие конструктивные отличия все-таки имеются.
Рассмотрим, из чего состоит асинхронный двигатель:
С учетом сказанного одним из главных отличий является отсутствие обмоток на якоре (исключением являются фазные АД). Вместо обмотки в роторе находятся стержни, закороченные между собой.
Принцип действия
В асинхронном двигателе магнитное поле создается, благодаря току в статорной обмотке, находящейся на специальных пазах. На роторе, как отмечалось выше, обмоток нет, а вместо них накоротко объединенные стержни. Такая особенность характерна для короткозамкнутого роторного механизма.
Во втором типе ротора (фазном) на роторе предусмотрены обмотки, ток и сопротивление которых могут регулироваться реостатным узлом.
Простыми словами, принцип действия можно разложить на несколько составляющих:
Сфера применения
Асинхронные электромоторы пользуются большим спросом в быту, благодаря простоте конструкции и надежности в эксплуатации.
Они часто применяются в бытовой аппаратуре:
Также применяются они и в производстве, где подключаются к 3-фазной сети.
К этой категории относятся следующие механизмы:
Асинхронные машины применяются в электрическом транспорте и других сферах. Они нашли применение в башенных кранах, лифтах и т. д.
Пример Трехфазный АИР 315S2 660В 160кВт 3000об/мин.
Трехфазный АИР 315S2 660В 160кВт 3000об/мин
Преимущества и недостатки
Электродвигатель асинхронного типа имеет слабые и сильные места, о которых необходимо помнить.
Сравнение синхронного и асинхронного двигателей
В завершение можно подвести итог, в чем главные отличия асинхронных (АД) и синхронных (СД) моторов.
Выделим базовые моменты:
Про реактивную мощность
Синхронные электродвигатели генерируют и одновременно потребляют реактивную мощность. Особенности и параметры «реактива» зависит от тока в возбуждающей обмотке. При полной нагрузке косинус Фи равен 1. В таком режим СД не потребляет «реактив» из сети, а ток в статорной обмотке минимален.
Здесь важно понимать, что реактивная мощность ухудшает параметры энергосистемы. Большой параметр неактивных токов приводит к повышению расхода топлива, увеличению потерь и снижению напряжения.
Кроме того, «реактив» грузит линии передач электроэнергии, что ведет к необходимости увеличения сечения кабелей и проводов, а, соответственно, повышению капитальных расходов.
Сегодня одна из главных задач энергетиков — компенсация реактивной мощности. К основным ее потребителям относят АД, потребляющие 40% «реактива», электрические печи, преобразователи, ЛЭП и силовые трансформаторы.
Какой лучше
При сравнении асинхронного и синхронного электродвигателей трудно ответить, какой лучше. По конструкции и надежности выигрывает АД, который при умеренной нагрузке имеет более продолжительный срок службы. У СД щетки быстро изнашиваются, что требует их замены.
В остальном это два схожих по конструкции, но отличающихся по принципу действия механизма, имеющих индивидуальные сферы применения.
Синхронные машины
Рис.22 Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре явнополюсной СМ
Рис 23. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре неявнополюсной СМ
Рис. 24 Временные векторы диаграммы МДС СГ
Рис. 26 Схема замещения и векторная диаграмма неявнополюсного СГ
при резистивно-индуктивной нагрузке
Рис. 27 Векторная диаграмма СГ при резистивной нагрузке
Если нагрузка генератора имеет емкостной характер, то угол отрицателен и напряжение на зажимах синхронного генератора больше ЭДС ( рисунок 28 ). (9)
Рис. 28 Векторная диаграмма СГ при резистивно-емкостной нагрузке
П3 Энергетическая диаграмма синхронного генератора
Рассмотрим энергетическую диаграмму, показывающую соотношения между различными мощностями в синхронном генераторе в процессе того, как механической энергии приводного двигателя синхронного генератора преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. (рис. 29)
Рис.29 Энергетическая диаграмма СГ
Разные типы синхронных генераторов имеют разные соотношения между потерями мощности. Механические потери и потери в стали будут выше у машин высокооборотных. Потери на возбуждение тем больше, чем выше число полюсов машины.
Вопросы для самоконтроля?
1. За счет чего формируют синусоиду поля индуктора в синхронных генераторах? (1,2)
2. На какой угол отстает МДС синусоиды поля статора от МДС ротора? (3)
3. Какие составляющие имеет результирующая МДС в зазоре СГ?(4)
4. Что называют реакцией якоря СГ? (5)
5. Что называют потоком реакции якоря СГ? (6)
6. Какие функции выполняют элементы эквивалентной схемы СГ? (7)
7. Как ориентируют векторы МДС ротора и реакции якоря на векторных диаграммах СГ? (8)
8. В каких случаях напряжение на зажимах синхронного генератора больше чем ЭДС холостого хода? (9)
Рис. 30Упрощенная эквивалентная схема и векторная диаграмма СГ
Рис.31.Векторная диаграмма и V-образные характеристики СГ
Действительно, как следует из формулы электромагнитной мощности
Рис. 33 Характеристика холостого хода синхронного генератора
Рис. 34 Характеристика симметричного короткого замыкания СГ
Рис. 35 Внешние характеристики СГ
Рис. 36 Регулировочные характеристики СГ
Очевидно, что характер нагрузки определяет вид регулировочных характеристик.
Вопросы для самоконтроля.
1. Что такое нормальная характеристика холостого хода синхронного генератора? (1)
2. Как определяют спрямленную, насыщенную, и спрямленную, ненасыщенную характеристики холостого хода? (2)
3. Почему характеристика симметричного короткого замыкания СГ представляет собой прямую линию? (3)
4. Что такое отношение короткого замыкания? (4)
5. Как индуктивное сопротивление СМ по продольной оси связано с отношением короткого замыкания? (5)
6. Что такое внешние характеристики СГ? (6)
7. Какие характеристики синхронного генератора называются регулировочными? (7)
§4 Характеристики синхронных двигателей
П1 Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного перевозбужденного синхронного двигателя
Расположим вектор магнитодвижущих сил ротора влево вдоль оси абсцисс ( рисунок 37).
Рис.37 Векторная диаграмма перевозбужденного синхронного двигателя
Рис. 38 V-образные характеристики синхронного двигателя
Поэтому, также как генератор, перевозбужденный синхронный двигатель является для сети емкостной нагрузкой. (2) На рисунке 38 представлены V-образные характеристики синхронного двигателя для трех значений электромагнитной мощности. Пунктирной линией отмечена граница устойчивости работы. Линии, проходящей через минимумы кривых, соответствует коэффициент мощности равный единице. Видно, что нагруженный синхронный двигатель может работать только при достаточном возбуждении ротора.
Возможность работы синхронного двигателя с опережающим коэффициентом мощности широко используются в промышленности. Для целей улучшения коэффициента мощности сети изготовляют специальные электрические машины, называемые синхронными компенсаторами. Синхронный компенсатор представляет собой перевозбужденный синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу с большим емкостным током. (3)
П3 Рабочие характеристики синхронных двигателей
Рабочими характеристиками синхронного двигателя называю зависимость основных эксплуатационных параметров режима работы от развиваемой механической мощности. (4)Основными эксплуатационными параметрами, характеризующие режим работы двигателя являются ток статора, потребляемая двигателем мощность, момент на валу, частота вращения ротора, коэффициент мощности и кпд.(5)
Рис.39 Рабочие характеристики СД
Области применения синхронных машин
Устройство синхронных машин
Синхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой, а вторая — возбуждается постоянным током.
У синхронных машин частота вращения магнитного поля равна (синхронна) частоте вращения ротора ( 
).
Синхронная машина имеет неподвижную часть — статор и подвижную — ротор.
Обмотка переменного тока называется якорной обмоткой, а часть машины, несущая якорную обмотку, называется якорем; часть машины, несущая обмотку возбуждения,— индуктором.
Обращенное исполнение применяется для машины небольшой мощности (2-5 кВт).
Для более крупных машин применяется основное исполнение. В этом случае с помощью скользящего контакта подводится только мощность возбуждения, составляющая 0,3—2 % мощности машины, а не полная мощность, как в обращенном исполнении.
В дальнейшем будем рассматривать прямое исполнение.
Статор машин прямого исполнения включает в себя корпус, выполненный из чугуна или алюминиевого сплава. В корпус запрессован сердечник, выполненный из пластин электротехнической стали. При наружном диаметре более 1 м сердечник собирается из сегментов. В сердечнике выштампованы пазы. В пазах статора размещается многофазная (обычно трехфазная) 2р-полюсная обмотка. Фазы обмотки соединяются обычно в звезду.
Процессы в синхронной машине при холостом ходе
При холостом ходе ток в обмотке якоря равен нулю. Обмотка возбуждения с током If образует магнитное поле возбуждения, МДС которого равна:
Вследствие нелинейности магнитной характеристики возникают высшие гармоники МДС поля возбуждения. Поэтому принимаются меры по улучшению формы поля возбуждения, чтобы уменьшить содержание высших гармонических, поскольку высшие гармонические, не принимая участия в процессе преобразования энергии, вызывают добавочные потери. Улучшение формы поля возбуждения в явнополюсных машинах достигается выбором благоприятного соотношения между максимальным и минимальным зазором под полюсом, в неявнополюсных — выбором благоприятной относительной длины обмотанной части полюсного деления.
Уменьшение содержания высших гармонических в кривой ЭДС достигается за счет укорочения шага обмотки якоря, размещения ее катушек в достаточно большом числе пазов, а также соединения фаз обмотки в звезду или треугольник.
В возбужденной машине при холостом ходе возникают механические потери на трение вращающихся частей Pмех, магнитные потери в стали магнитопровода якоря Pст и некоторые добавочные электромагнитные потери Pд.х. Двигатель, приводящий синхронную машину во вращение, должен развивать мощность, равную сумме этих потерь
и составляющую 0,3—3 % полной мощности машины.
Синхронный компенсатор
Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cosφ или в режиме стабилизации напряжения.
Нагрузка сети носит активно-индуктивный характер – ток нагрузки Iн отстает по фазе от напряжения сети Uc. Для улучшения cosφ сети синхронный компенсатор работает в режиме перевозбуждения. Ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I1 синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети Uc (рис. а) и был примерно равен реактивной составляющей тока нагрузки Iн р. В результате сеть загружается только активным током нагрузки Iн а.
В отличие от батарей конденсаторов компенсатор может компенсировать как индуктивную (при перевозбуждении) так и емкостную (при недовозбуждении) составляющие тока.
В режиме стабилизации напряжения устанавливается ток возбуждения синхронного компенсатора чтобы ЭДС компенсатора Еf равнялась номинальному напряжению сети Ucн (рис. б). В сети имеется ток Iн, создающий падение напряжения ΔU= IнRccosφ + IнXc sinφ, где Rc и Хс — активное и индуктивное сопротивление сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.
Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 10 до
100 МВА и по конструкции имеют следующие отличия от синхронного двигателя:
— не имеют выходного конца вала;
— вал не передает вращающий момент и выполняется менее массивным;
— уменьшен воздушный зазор и размеры обмотки возбуждения;
— имеет более массивную магнитную систему для получения большого значения МДС;
-имеет явнополюсную конструкцию при числе полюсов 6 или 8.
Синхронный компенсатор должен быть оснащен автоматическим регулятором возбуждения, который при изменении режима напряжения в узле так регулирует его ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах компенсатора оставалось постоянным.
Энергетика синхронных машин
Часть мощности, потребляемой синхронной машиной, идет на компенсацию потерь, которые включают в себя:
1. Потери на возбуждение ΔРв..
2. Механические потери ΔРмех — это потери на трение в подшипниках и потери на вентиляцию. Они зависят от частоты вращения.
3. Магнитные потери ΔРст в основном имеют место в сердечнике статора, который подвергается перемагничиванию полем ротора. Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Потери в стали зависят от значения магнитной индукции, марки и толщины листов стали из которой набран сердечник якоря и частоты перемагничивания.
4. Электрические потери имеют место в обмотках статора 
5. Добавочные потери ΔРдоп учитывают потери на пульсацию магнитного потока, потери, вызванные поверхностным эффектом и др. Они равны 0,25 – 0,5% полезной мощности генератора
Механические и магнитные не зависят от нагрузки. Их называют постоянными. Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называются переменными.
На рисунке приведены энергетические диаграммы синхронных генераторов и двигателей при возбуждении от возбудителя (рис. а), а также от сети переменного тока (рис. а).
К генераторам подводится механическая мощность Р1= Мврω1, за счет которой покрываются потери холостого хода, состоящие из механических потерь ΔРмех, потерь в стали ΔРст и добавочных потерь ΔРдоп. Если возбудитель приводится от вала генератора, то потери в возбудителе и в цепи возбуждения ΔРв также покрываются за счет механической мощности. Остаток — электромагнитная мощность Рэм= Мэмω1 передается магнитным полем индуктора якорю и преобразуется в его обмотке в электрическую мощность. Часть этой мощности идет на потери в обмотке якоря ΔРэ, а остальная мощность передается на зажимы генератора и является полезной мощностью
Р2 =mU1I1 cosφ1 (рис. а). Если генератор выполнен с самовозбуждением, то с его зажимов снимается мощность ΔРв, часть которой идет на потери в цепи возбуждения (рис. б), а остаток — полезная мощность Р2 отдается в сеть.
Коэффициент полезного действия:
У двигателей потребляемая мощность Р1 =mU1I1 cosφ1 поступает из электрической сети. За ее счет покрываются электрические потери ΔРэ в обмотке якоря и мощность возбуждения ΔРв при возбуждении от сети переменного тока. Оставшаяся часть преобразуется в электромагнитную мощность Рэм= Мэмω1, связанную с вращающимся магнитным полем. За счет этого поля покрываются потери в 
стали ΔРст и добавочные потери ΔРдоп, а остальное передается ротору в виде механической мощности Рмех. Механическая мощность должна покрыть механические потери ΔРмех и мощность ΔРв, потребляемую возбудителем. Оставшаяся часть механической мощности — мощность на валу является полезной мощностью двигателя Р2= Мврω1.
Учет всех факторов, включая потери в стали, существенно усложняет и векторные диаграммы, и расчетные формулы. Поэтому в инженерных расчетах обычно пользуются упрощенной теорией синхронной машины, лишь по мере необходимости вводя дополнительные факторы, уточняющие и одновременно усложняющие эту теорию.
Качания синхронных машин
Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент M1 =Mвн1, соответствующий углу Θ1 (рис. 6.59, а и б). Если резко увеличить внешний момент до величины Mвн2, то нагрузочный угол будет увеличиваться до величины Θ2, соответствующей новому значению электромагнитного момента M2 =Mвн2. Однако из-за инерции ротора нагрузочный угол, увеличиваясь, достигает значения Θ3 > Θ2, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до величины Θ4 4 при f=50Гц) применяется явнополюсноеисполнение (явно выраженные полюсы). При n=≥1500 об/мин (2р≤4) применяется неявнополюсное исполнение (неявно выраженные полюсы).
Рис. 6.3 Конструкция роторов синхронных машин; а – явнополюсная; б – неявнополюсная; обмотки: 1 – возбуждения; 2 — демпферная
Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов и обода, к которому они крепятся. Полюсы собираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1—2 мм, которые стягиваются коваными или литыми нажимными щеками. В отдельных случаях применяются массивные литые полюсы. Полюсы крепятся к ободу с помощью болтов (машины малой и средней мощности с массивным ободом), или полюсных хвостов Т-образной или иной формы. На каждом полюсе устанавливается катушка обмотки возбуждения. Обод ротора выполняется массивным (сварным, литым) или шихтованным из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1,5—6 мм. Листы стягиваются шпильками. При наружном диаметре до 2— 4 м обод изготовляется из сплошных листов и насаживается непосредственно на вал. При большом диаметре обод собирается из отдельных сегментов, которые крепятся на сварном остове. Для машин, имеющих значительную осевую длину, в ободе имеются каналы для прохождения охлаждающего воздуха к периферийным зонам ротора. Для крепления обмотки возбуждения полюсные наконечники имеют выступы. Для этих же целей используются межполюсные распорки. Для обеспечения более устойчивой работы в переходных режимах на роторе устанавливается демпферная обмотка. Она расположена в наконечниках полюсов и по своей конструкции аналогична короткозамкнутой обмотке ротора в асинхронном двигателе.
Сердечник неявнополюсного ротора изготовляется как единое целое с хвостовиками (концами вала) из одной поковки из углеродистой стали (диаметром до 800 мм) или легированной стали (диаметром свыше 800 мм). Обмотка возбуждения распределяется по нескольким пазам ротора. Для защиты лобовых частей обмотки возбуждения от центробежных сил применяют бандажные кольца, изготовляемые для крупных турбогенераторов из немагнитной стали (или титана). Бандажное кольцо жестко сопрягается с сердечником или хвостовиком. Обмотка в пазах ротора удерживается немагнитными дюралевыми клиньями. Роль демпферной обмотки в неявнополюсных машинах играют массив ротора и проводящие клинья.
Все промышленные синхронные машины выполняются на стандартизованную частоту 50 Гц.
В зависимости от мощности и частоты вращения номинальное напряжение обмотки якоря (статора) синхронных машин выбирается из числа стандартных напряжений: 0,23; 0,4; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75 кВ (для генераторов) и 0,22; 0,38; 3; 6; 10 кВ (для двигателей).
В крупных турбогенераторах и гидрогенераторах номинальное напряжение обмотки якоря иногда принимают нестандартным — от 18 до 24 кВ. Номинальное напряжение обмотки возбуждения выбирается в пределах от 24 до 400 В.
С ростом мощности и частоты вращения КПД машины увеличивается. При мощности 100—4000 кВА он составляет 0,9—0,95; в гидрогенераторах и турбогенераторах большой мощности он достигает 0,97—0,99.