Устройство синхронных машин

Синхронная машина состоит из неподвижной части – статора, в пазах которого размещается многофазная(как правило, трехфазная) обмотка, и вращающейся части– ротора с обмоткой возбуждения постоянного тока, выведенной на два контактных кольца. Статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины.

Роторы синхронных машин выполняются явнополюсными и неявнополюсными (рис.1).

Рис.1. Ротор синхронных машин: a – c явно-выраженными
полюсами; б – с неявно-выраженными полюсами

Явно-полюсной ротор собирается из отдельных частей (рис 14.1, а),
а обмотка возбуждения выполняется в виде катушек 1, которые размещают на полюсах 2 и крепят полюсными наконечниками 3. Полюсы укрепляются на крестовине ротора. Такая конструкция применяется в тихоходных машинах: в гидрогенераторах равнинных гидростанций
(n = 80–250 об/мин) и синхронных двигателях (n = 50–750 об/мин). Число полюсов этих машин достигает нескольких десятков; например, генераторы Днепровской ГЭС имеют 72 полюса.

Обмотка возбуждения неявнополюсных роторов закладывается в пазы, выфрезерованные в сплошной стальной паковке, и крепится стальными клиньями. Лобовые части обмотки крепят стальными кольцевыми бандажами. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность ротора и применяется как в турбогенераторах, так и в быстроходных синхронных двигателях, например, в турбо­компрессорах. Скорость этих машин равна 3000 или 1500 об/мин, а число пар полюсов невелико – 1 или 2 пары.

Постоянный ток на обмотку возбуждения подается от специального генератора-возбудителя или от выпрямителя через неподвижные щетки и контактные два кольца. Кольца расположены на валу, вращающиеся вместе с валом, изолированы от вала и друг от друга.

Принцип действия.

Статор 1 синхронной машины (рис. 2, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4,питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством

Рис.2. Электромагнитная схема синхронной машины и схема ее включения

контактных колец 5 и щеток 6 (рис.2, б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

f₁ = рп₂ /60.

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток I_а создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁ = 60f₁ /р.

Из этого следует, что n₁ = n₂, т. е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_рез синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис.2.а) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током, — на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (2.б). В результате взаимодействия этого поля с током I_в , проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме — тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, раположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения п₁ = п₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п₂ = п₁ ;

б) частота изменения ЭДС Е, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;