Устройство синхронной машины
Синхронная электрическая машина – это электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.
На рисунке ниже изображены примеры электрической и электромагнитной схемы синхронной машины.
Рисунок 1. Схема синхронной машины. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
а - электромагнитная схема; б - схема включения; 1 - статор; 2 - ротор; 3 - трехфазная обмотка; 4 - обмотка ротора; 5 - щетки; 6 - контактные кольца.
Основными частями синхронной машины являются:
- Индуктор.
- Якорь.
В большинстве синхронных электрических машин якорь располагается на статоре, а индуктор на роторе, который отделен от якоря воздушным зазором.
Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного электрического тока. Токи, которые подаются в якорь создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с индуктором, что способствует преобразованию энергии. Поле, создаваемое якорем, воздействует на поле индуктора - поле реакции якоря. Поле реакции якоря в генераторах создается переменными токами, которые индуцируются в обмотке якоря от индуктора.
Индуктор синхронной электрической машины состоит из полюсов - постоянных магнитов в микро-машинках, или электромагнитов постоянного электрического тока в больших машинах. Индуктор может быть двух конструкций - неявнополюсным или явнополюсным. Полюса у якоря явнополюсной конструкция схожи с полюсами машин постоянного тока, а также они ярко выражены. У неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения уложена в пазы сердечника индуктора и похожа на обмотку роторов асинхронной машины с фазным ротором. Разница между ними в том, что между полюсами оставляют место, которое не заполнено проводниками (большой зуб). Данная конструкция используется в быстроходных машинах с целью снижения механической нагрузки на полюса.
Асинхронная машина – это электрический двигатель переменного тока, у которого частота вращения ротора не равна (в двигательном режиме работы) частоте вращения магнитного поля.
Для того, чтобы снизить магнитное сопротивление применяются ферромагнитные сердечники в статорах и роторах. Они представляют собой шихтованную конструкцию, изготовленную из отдельных стальных листов (электротехническая сталь). Основное ее преимущество заключается в том, что в ней содержится много кремния, что повышает ее электрическое сопротивление и снижает вихревые токи.
Режимы работы синхронных электрических машин
Принцип действия синхронной машины основан на взаимодействии между магнитными полями полюсов индуктора и якоря. В мощных синхронных машинах электромагниты используются, как полюса, а в маломощных постоянные магниты. Синхронные машины могут работать в двух режимах:
- Двигательный.
- Генераторный.
Синхронный двигатель нуждается в разгоне до частоты, которая близка к частоте вращения магнитного зазора, прежде, чем она сможет функционировать синхронном режиме. Как правило, для разгона используется асинхронный режим, обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко (как в асинхронной машине). С этой целью на роторе делается короткозамкнутая обмотка, выполняющая роль успокоительной обмотки. Когда машина выходит на скорость, которая близка к номинальной (более 95 %) индуктора запитывается постоянным током. В машинах с постоянными магнитами используется внешний двигатель разгона. Также применяют частотный пуск, при котором частота якоря увеличивается постепенно с 0 до номинальной величины или постепенно уменьшается частота индуктора от номинальной до 0. В этом случае частота вращения ротора неизменна выражается следующей формулой:
$n = 60 / p$
где, р - количество пар полюсов ротора.
Синхронные генераторы, как правило изготавливаются с якорем, находящимся на статоре. принцип действия синхронного генератора основан на электромагнитной индукции, то есть при вращении ротора, магнитный поток, который создается обмоткой возбуждения, по очереди сцепляется с каждой фаз обмотки статора, тем самым индуцируя в них электродвижущую силу.
Частоту индуцируемой электродвижущей силы можно выразить следующим образом:
$f = (n*p) / 60$
где, р - количество пар полюсов ротора.
Разновидности синхронных машин
К основным видам синхронных электрических машин относятся: ударные генераторы, гидрогенераторы, машины двойного действия, турбогенераторы, синхронные компенсаторы. В ударных генераторах синхронный генератор предназначен для кратковременной работы машины в режиме короткого замыкания. Гидрогенератор представляет собой синхронный генератор, который вырабатывает электрическую энергию от гидротурбины. В машинах двойного действия создаются несинхронные режимы, за счет питания обмоток статора и ротора токами, обладающих разной частотой. В турбинных генераторах генератор функционирует от газовой или паровой турбины при высоких скоростях вращения ротора. Синхронный компенсатор предназначен для выработки реактивной мощности в режиме холостого хода.
