Полюса обмотки ротора синхронной машины на рисунке
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНХРОННЫХ МАШИН
Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра выштамповывают пазы для укладки обмотки якоря. Электротехническую сталь поставляют в виде листов или лент шириной не более 1 м. При внешнем диаметре сердечника менее 1 м его собирают из цельных кольцевых пластин, а при большем диаметре каждый кольцевой слой составляют из 
отдельных пластин, называемых сегментами (рис. 3). Сердечник размещают в станине (корпусе) статора.
По выполнению ротора машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные.
Обмотку возбуждения в мощных машинах для лучшего охлаждения выполняют из неизолированных медных шин большого сечения, намотанных на ребро. Между соседними витками укладывают изоляционные прокладки, пропитанные в смоле. Катушку запекают и устанавливают на полюсе, на который по периметру предварительно наносят корпусную изоляцию. В машинах небольшой мощности катушки обмотки возбуждения выполняют из изолированных проводников прямоугольного или круглого сечения.
На полюсах ротора часто укладывают демпферную обмотку. Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по торцам замыкают пластинами или кольцами так, что образуется клетка. Демпферные обмотки делятся на продольные и продольно-поперечные.
Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В генераторах она ослабляет влияние несимметричной нагрузки и снижает амплитуду колебаний ротора, возникающих в некоторых случаях при параллельной работе. В двигателях она является пусковой обмоткой, а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульсации нагрузки.
Явнополюсные роторы применяют в машинах большой мощности с относительно низкой частотой вращения, т. е. имеющих большое число полюсов. Синхронные машины с явнополюсным ротором и горизонтальным валом широко используют в качестве двигателей и генераторов. Общий вид ротора явнополюсной машины показан на рис. 7. Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного 
соединения с гидравлическими турбинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами (рис. 8).
Для уменьшения потерь в пяте между ее трущимися поверхностями (пяты и собственно подпятника) создается слой смазки достаточной толщины.
Для восприятия радиальных усилий, действующих на ротор гидрогенератора, на его валу устанавливают один или два направляющих подшипника. Один подшипник устанавливают при жестком фланцевом соединении валов гидрогенератора и турбины. Вторым направляющим подшипником в этом случае является направляющий подшипник турбины. Подпятник и направляющие подшипники размещаются на крестовинах, которые служат для восприятия и передачи вертикальных и радиальных усилий на фундамент или на корпус статора. Различают верхнюю и нижнюю крестовины.
В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные. В подвесном гидрогенераторе (рис. 9, а) подпятник расположен над ротором на верхней крестовине и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику.
В зонтичном гидрогенераторе подпятник расположен на нижней крестовине (рис. 9, б) или на крышке турбины и генератор в виде зонта находится над подпятником. При зонтичном исполнении гидрогенератор имеет меньшие массу и высоту, чем при подвесном исполнении, за счет уменьшения размеров верхней крестовины, имеющей больший диаметр, чем нижняя.
Механическая прочность различных деталей гидрогенераторов рассчитывается по так называемой угонной частоте вращения, которая в 2-3 раза больше номинальной и может иметь место в результате разгона ротора при аварийном отключении генератора от сети.
Неявнополюсные роторы (рис. 10 и 11) применяют в синхронных машинах большой мощности, имеющих частоту вращения п = 1500÷3000 об/мин. Изготовление машин большой мощности с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции ротора невозможно по условиям механической прочности ротора и крепления полюсов и обмотки возбуждения.
Из-за больших центробежных сил, действующих на обмотку возбуждения, ее крепление в пазах производят с помощью немагнитных металлических клиньев. Немагнитные клинья ослабляют магнитные потоки пазового рассеяния, которые могут вызывать насыщение зубцов и приводить к уменьшению полезного потока. Пазы большого зубца закрывают магнитными клиньями. Лобовые части обмотки закрепляют роторными бандажами. Обмотка ротора имеет изоляцию класса В или F. Выводы от обмотки возбуждения подсоединяют к контактным кольцам на роторе.
Вдоль оси ротора по всей его длине просверливают центральное отверстие, которое служит для исследования материала центральной части поковки и для разгрузки поковки от опасных внутренних напряжений. На рис. 12 дан общий вид турбогенератора. В турбогенераторах функцию демпферной обмотки выполняют массивное тело ротора и клинья.
Что такое синхронный двигатель и как он работает?
В качестве устройства преобразования электрической энергии в механическую в промышленности и быту используется синхронный электродвигатель. В сравнении с другими типами электрических машин он получил меньшее распространение, но в отведенных сферах является незаменимым фаворитом. В чем особенность синхронных агрегатов и как их применяют на практике, мы рассмотрим в данной статье.
Устройство
Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).
Принцип работы
В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.
Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя
Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 3).
Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине
При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.
На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:
Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.
Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя
Отличие от асинхронного двигателя
Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.
В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:
В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.
Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя
Разновидности
В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:
В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:
С реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.
Рис. 7. Пример реактивного ротора
В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:
В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).
Режимы работы
Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.
Генераторный режим
Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.
Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:
где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.
Синхронный компенсатор
В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.
Двигательный режим
В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.
Способы пуска и схемы подключения
Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.
Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя
При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.
Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.
Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя
Как видите на рисунке 9, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.
Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.
Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя
В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.
Применение
Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.
Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.
Преимущества и недостатки
К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:
Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:
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
Нов-электро
Профессиональный сайт для энергетиков
Конструкция синхронной машины
Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1, а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3—2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Конструкция синхронных машины небольшой мощности выполняется как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. В обращенной синхронной машине с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1, б) нагрузка подключается к обмотке якоря посредством трех колец.
Рис. 1. Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем:
1 – якорь; 2 – обмотка якоря; 3 – полюсы индуктора; 4 – обмотка возбуждения; 5 – кольца и щетки.
Рис. 2. Конструкция роторов синхронных машин.
а) неявнополюсная; б) явнополюсная.
1 — сердечник ротора; 2 — обмотка возбуждения.
В конструкции ротора синхронных машин различают два вида: неявнополюсный — с неявновыраженными полюсами (рис. 2, а) и явнополюсную — с явновыраженными полюсами (рис. 2, б).
Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.
Конструкция явнополюсного ротора, обычно применяется в машинах с четырьмя полюсами и более. Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.
Рис. 3. Устройство явнополюсной машины: 1 — корпус; 2 — сердечник статора; 3— обмотка статора; 4 — ротор; 5 — вентилятор; 6 — выводы обмоток; 7 —контактные кольца; 8 — щетки; 9 – возбудитель
Рис. 4. Устройство пусковой обмотки в синхронных двигателях:
1 — полюсы ротора; 2 — короткозамыкающие кольца; 3 — стержни «беличьей клетки»; 4 — полюсные наконечники
В синхронной машине (рис. 3) сердечник статора собирают из изолированных листов электротехнической стали и на нем располагают трехфазную обмотку якоря. На роторе размещают обмотку возбуждения. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.
В полюсных наконечниках синхронных двигателей с явно-полюсным ротором размещают стержни пусковой обмотки (рис. 4), выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то при пуске и переходных режимах в них возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкнутой обмотке.