Краткие теоретические сведения. Синхронные машины широко используются в качестве генераторов

Синхронные машины широко используются в качестве генераторов, двигателей и компенсаторов переменного тока. Наибольшее применение синхронные машины получили в качестве генераторов электрической энергии переменного тока. Они являются основным источником электроэнергии. Характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название, является равенство вращения ротора и магнитного поля статора:

,

где р – число пар полюсов синхронной машины (статора);

Гц – частота переменного тока питающей сети, Гц.

Синхронные машины, как и все электрические машины, обратимы, т.е. могут работать и в режиме генератора, и в режиме двигателя. Однако практически генераторы имеют существенные конструктивные отличия от двигателей.

Синхронная машина (рис. 8.1.а) состоит из неподвижного статора 1, вращающегося ротора 2 с кольцами 3 и возбудителя 4.

Статор синхронной машины (рис. 8.1.в) такой же, как и в асинхронной машине, т.е. имеет станину (корпус) 3 и закрепленный в ней стальной сердечник – магнитопровод 2, в пазах которого расположена трехфазная обмотка. Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает основное магнитное поле машины, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения, которая через специальные контактные кольца питается постоянным током от выпрямителя или от относительно небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем. Конструктивно ротор может быть явно - и неявнополюсным.

Явнополюсной ротор (рис. 8.1.а) представляет собой литое стальное тело, к которому прикреплены выступающие наружу явно выраженные чередующиеся полюсы. Полюс состоит из сердечника 1 и простой катушечной обмотки 3 из медного изолированного полюса. Сердечник полюса набирается из листовой электротехнической стали толщиной 1-1.5 мм. Явнополюсные роторы имеют тихоходные синхронные машины с частотой вращения до 1000 об/мин (гидрогенераторы и генераторы, приводимые в движение двигателем внутреннего сгорания). Для быстроходных машин явнополюсной ротор механически ненадежен из-за больших центробежных усилий, действующих на полюсы при больших частотах вращения.

Неявнополюсной ротор (рис.8.2.б) представляет собой цельный цилиндр из специальной стали. На его поверхности вдоль оси фрезеруются открытые радиальные пазы для размещения обмотки возбуждения, выполняемой из изолированного медного провода и закрепляемой в пазах с помощью клиньев из немагнитной стали. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру) Оставшиеся 1/3 поверхности образуют полюсы. То есть они распределяются так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному. Неявнополюсные роторы применяются в быстроходных машинах – турбогенераторах, которые обычно изготавливают на большие частоты вращения.

Принцип действия синхронного генератора основан на законе электромагнитной индукции. Если обмотку возбуждения синхронной машины подключить к источнику постоянного тока, то ток обмотки возбуждения ротора создает магнитное поле синхронной машины, распределение магнитной индукции которого в воздушном зазоре между полюсами ротора и статора синусоидально (обеспечивается формой полюсного наконечника или распределением катушек обмотки неявнополюсного ротора). При вращении магнитных полюсов ротора с неизменным потоком Ф полюса в трехфазной обмотке статора будут индуцироваться синусоидальные э.д.с. Действующее значение э.д.с. одной фазы определяется выражением:

,

где - обмоточный коэффициент;

- частота синусоидальных э.д.с.;

- число витков одной фазы обмотки статора;

- число пар полюсов;

- максимальный магнитный поток полюса ротора;

- синхронная частота вращения.

Это выражение можно записать следующим образом:

,

где .

Таким образом, э.д.с. холостого хода синхронного генератора пропорциональна частоте вращения и магнитному потоку полюса статора.

Одно из достоинств синхронного генератора заключается в том, что обмотка его якоря (статора) является неподвижной и соединение обмотки с потребителями электроэнергии производится без скользящих контактов. Это дает возможность изготовлять синхронные генераторы большой мощности при обеспечении высокой надежности.

Реакция якоря. При работе генератора с нагрузкой в обмотках статора протекает ток, при этом создается поток обмотки статора. Кроме этого в машине имеется магнитный поток создаваемый ротором. Взаимодействие этих потоков (статора и ротора) называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением э.д.с., наведенной в обмотке статора.

Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки: активная нагрузка приведет к искажению результирующего поля машины, индуктивная нагрузка оказывает продольно-размагничивающее действие, емкостная нагрузка реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие.

Свойства синхронного генератора (СГ) определяются его характеристиками: холостого хода (ХХХ), внешней, регулировочной.

1. Под холостым ходом СГ понимают такой режим работы, когда ротор вращается приводным двигателем, а ток в разомкнутой обмотке якоря – равен нулю. ХХХ представляет собой зависимость ЭДС Е, индуцируемой обмотке якоря, от тока возбуждения при неизменной частоте вращения ротора, т.е. при и .

2. Внешняя характеристика является основной эксплуатационной характеристикой СГ, отражающей изменение напряжения на его выводах при изменении тока нагрузки, когда и . Характер изменения напряжения определяется значением , при этом реакция якоря размагничивает машину при активной и индуктивной нагрузке и подмагничивает ее при емкостной нагрузке СГ.

3. Регулировочная характеристика представляет собой зависимости при , и . Она показывает, как следует изменять ток возбуждения СГ для поддержания неизменного напряжения га его выводах при изменении тока нагрузки.

Поиск по сайту: