12.2. Принцип действия и устройство синхронных двигателей. Синхронный двигатель эскиз

Общие сведения и методические указания об синхронных машинах

Общие сведения. Синхронными называются электрические машины переменного тока, у которых частота вращения ротора находится в строго постоянном соотношении с частотой электрической сети, к которой они подключены (слово “синхронный” понимается как “одновременный”).

Синхронные машины, как и все электрические машины, могут работать в режиме генератора и режиме двигателя, т. е. они обратимы.

В настоящее время большинство электрических станций оснащено трехфазными синхронными генераторами, которые являются основными источниками электроэнергии. Синхронные генераторы приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами, а в некоторых случаях – двигателями внутреннего сгорания. Мощность современных синхронных генераторов достигает 1500 MB-А; проектируются энергоблоки и большей мощности. Мощные синхронные генераторы в большинстве случаев работают совместно (параллельно) друг с другом, и вырабатываемая ими энергия поступает в общую электрическую сеть. Кроме того, синхронные генераторы служат источниками автономного питания на транспорте, в летательных аппаратах и на передвижных электростанциях.

Синхронные двигатели применяются там, где требуется постоянная частота вращения. Мощные синхронные двигатели устанавливаются на металлургических заводах, шахтах, холодильниках, на компрессорных и нефтеперекачивающих станциях магистральных трубопроводов, где они приводят во вращение прокатные станы, насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п. Специальные синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели) широко используются в системах управления и приборных системах: электрочасах, автоматических самопишущих приборах, устройствах программирования, системах звуко- и видеозаписи и др.

Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их способность работать при токе, опережающем по фазе питающее напряжение. Это свойство используется для увеличения коэффициента мощности (cosφ) в сети.

Специальные синхронные двигатели, предназначенные для увеличения коэффициента мощности, называются синхронными компенсаторами. Они устанавливаются на крупных промышленных предприятиях и подстанциях.

Методические указания. Особенностью устройства синхронной машины является то, что статор ее подобен статору асинхронной машины, а ротор имеет специальную обмотку возбуждения, питаемую от источника постоянного тока и создающую магнитное поле ротора. Как и в асинхронной машине, токи, протекающие по трехфазным обмоткам статора, образуют вращающееся магнитное поле. Поэтому целесообразно перед изучением материала этой главы повторить материал по вращающемуся магнитному полю (см. гл. 3).

Принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя рекомендуется изучать, обращая внимание на функциональные различия в работе отдельных элементов машины в различных режимах. Важно понять основные отличия синхронных машин от асинхронных: постоянство частоты вращения, необходимость в источнике постоянного магнитного потока, влияние реакции якоря на работу машины, возможность регулирования активной и реактивной мощностей, параллельной работы, а также возможность синхронной работы и последствия ее нарушения.

При объяснении большинства явлений и характеристик рекомендуется пользоваться векторными диаграммами в сочетании с эскизом конструкции машины, что облегчает понимание многих особенностей синхронных машин.

electrono.ru

12.2. Принцип действия и устройство синхронных двигателей

Синхронным называется двигатель, частота вращения ротора которого n равна частоте вращения поля n1 (n= n1).

Индуктор (источник первичного магнитного поля) обычно располагается на роторе и представляет собой систему электромагнитов чередующейся полярности в виде катушек обмотки возбуждения, расположенных на полюсах с явно выраженными полюсными наконечниками (рис. 12.1). Мощные быстроходные двигатели имеют неявнополюсный ротор. В обмотку возбуждения подается постоянный ток возбуждения iв от внешнего источника (возбудителя) через два контактных кольца и щеточный аппарат. Магнитное поле возбуждения "привязано" к полюсам и вращается вместе с ними.

Обмотка якоря обычно трехфазная, распределенная по пазам сердечника статора. Конструкция синхронного двигателя является обращенной по сравнению с двигателем постоянного тока.

При протекании трехфазной системы токов по трехфазной обмотке якоря (статора) в двигателе создается магнитное поле якоря с индукцией, распределенной вдоль окружности воздушного зазора по закону, близкому к

Рис. 12.1. Явнополюсная синхронная машина: 1 – сердечник якоря с пазами для обмотки; 2 – катушка обмотки возбуждения; 3 – полюс индуктора; 4 – пусковая обмотка; 5 - контактное кольцо; 6 – щётка; 7 - вал

к гармоническому Это поле вращается в направлении чередования фаз с частотой n1=f1/p , где f1-частота тока, р - число пар полюсов поля статора.

Ток обмотки возбуждения создаёт поле возбуждения с индукцией, распределенной вдоль окружности воздушного зазора также по гармоническому закону. В результате взаимодействия полей возбуждения и якоря возникают электромагнитные силы fэм и моменты, действующие на ротор и на статор в противоположных направлениях.

При несинхронном вращении ротора и поля якоря (n n1) изменяется взаимное положение полей возбуждения и якоря, поэтому электромагнитные силы и моменты также изменяются по значению и направлению с частотой p(n1-n), и среднее за период изменения значение электромагнитного момента М получается равным нулю.

Только при n = n1 сохраняется взаимное положение полей возбуждения и якоря, и поэтому может создаваться ненулевой момент (М0). При этом в двигателе поле якоря опережает поле возбуждения и как бы тянет за собой ротор. Электромагнитный момент, действующий на ротор двигателя, направлен в сторону вращения поля и является движущим, обеспечивающим вращение ротора и присоединённой к нему рабочей машины.

При вращении ротора двигатель развивает механическую мощность за счёт активной мощности, потребляемой обмоткой якоря из сети. Потребляя из сети активную мощность, машина вырабатывает механическую мощность при обязательном условии, что ротор вращается синхронно с полем якоря и отстаёт в пространстве от него. Такая машина является синхронным двигателем. Наилучшие условия работы обеспечиваются при одинаковом числе полюсов поля якоря и индуктора.

Поле якоря безынерционно и после включения обмотки якоря в сеть практически сразу вращается с частотой n1. Роторы двигателя и рабочей машины имеют моменты инерции, поэтому сразу после включения двигатель и поле возбуждения неподвижны (n = 0). Возникающий электромагнитный момент изменяется с большой частотой (см. выше), ротор не поспевает следовать за полем якоря, и поэтому пусковой электромагнитный момент в среднем равен нулю. Это существенный недостаток синхронного двигателя. Чтобы запустить синхронный двигатель, необходимо плавно повышать частоту подводимого напряжения или предварительно разгонять ротор двигателя до скорости, близкой к скорости поля с помощью дополнительных средств.

Ротор синхронного двигателя вращается под действием электромагнитного момента М, последний действует в направлении вращения магнитного поля якоря. Поэтому для реверса двигателя необходимо изменить чередование фаз сети, подключенной к обмотке якоря.

В соответствии с принципом действия частота вращения ротора двигателя остается постоянной – n = n1 = f1/p, если f = const и момент нагрузки не превышает максимального значения электромагнитного момента, развиваемого двигателем при неизменных значениях напряжения на обмотке статора и тока возбуждения. Следовательно, механическая характеристика синхронного двигателя является абсолютно жесткой.

Конструкцию синхронного двигателя можно изучить по любому учебнику [2…5] и макету в лаборатории.

Изобразите в отчёте необходимые упрощенные эскизы двигателя, пронумеруйте и назовите функционально важные элементы, укажите их назначение и используемые в них материалы.

studfiles.net

МНОГОСЕКЦИОННЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники, а именно к бесконтактным электродвигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве погружного электродвигателя, служащего приводом центробежного или винтового погружного насоса, используемого в нефтяной промышленности для добычи нефти.

Известен погружной асинхронный двигатель открытого исполнения (патент РФ №94082, H02K 5/12 от 18.01.2010), состоящий из корпуса, статора, колец протекторов статора, вала с насаженным на него ротором, на котором выполнены канавки винтовой многозаходной нарезки, колец протекторов ротора и подшипниковых щитов, выполненный таким образом, что на нерабочий конец вала ротора насажен импеллер, представляющий собой цилиндрический диск, в котором выполняется 6-8 радиальных цилиндрических отверстий до пересечения с осевым отверстием вала, в одном из подшипниковых щитов выполнены отверстия, обеспечивающие свободный доступ к зазору между статором и ротором, а другой подшипниковый щит представляет собой глухую крышку.

Недостатком данного двигателя является сложность регулирования частоты его вращения, поэтому он, как правило, используется для работы с погружным центробежным насосом с постоянной производительностью (частотой вращения) и не позволяет добиться оптимальной нефтедобычи в случае изменения дебита скважины.

Известен погружной синхронный электродвигатель (патент РФ №2321141, H02K 19/10 от 27.03.2008), содержащий статор, в корпусе которого установлен шихтованный магнитопровод с радиальными зубцами на внутренней поверхности, внутри статора установлен ротор, на внешней поверхности которого также расположены зубцы, а между ротором и статором имеется гарантированный зазор, выполненный таким образом, что рабочие поверхности радиальных зубцов статора и ротора смещены относительно друг друга вдоль оси электродвигателя в направлении, противоположном направлению смещения рабочей поверхности зубцов ротора под действием крутящего момента.

Недостатками данного электродвигателя являются изготовление его вала из немагнитного материала, а также его большие осевые размеры, что затрудняет создание многосекционного двигателя. При использовании более технологичного вала из магнитного материала примерно четверть магнитного потока возбуждения ответвляется в вал, что приводит к существенному уменьшению индукции в рабочем воздушном зазоре и ухудшению энергетических и массогабаритных показателей электродвигателя.

Известен погружной синхронный электродвигатель (патент РФ №2145460, H02K 19/00 от 10.02.2000), содержащий статор, в корпусе которого установлен шихтованный магнитопровод с радиальными зубцами на внутренней поверхности, внутри статора установлен ротор, на внешней поверхности которого также расположены зубцы, а между ротором и статором имеется гарантированный зазор, выполненный таким образом, что рабочие поверхности радиальных зубцов статора и ротора смещены относительно друг друга вдоль оси электродвигателя в направлении, противоположном направлению смещения рабочей поверхности зубцов ротора под действием крутящего момента.

Недостатками данного изобретения являются сложность конструкции и сборки из-за большой длины, увеличенная нагрузка на вал, ограниченная мощность.

Известен вентильный электродвигатель (патент РФ №2484573, H02K29 от 20.04.2012), состоящий из n одинаковых модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпусы и роторы модулей механически соединены между собой, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, и в каждом роторе одна половина магнитов смещена относительно другой половины в окружном направлении на половину зубцового деления статора tzs, а в смежных модулях одноименные магниты ротора смещены в окружном направлении на величину t zs/(2n).

Недостатками данного электродвигателя является сложность конструкции и соотвественно удорожание его сборки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является многосекционный вентильный индукторный электродвигатель (патент РФ №2277285, H02K 16/00 от 27.05.2006), содержащий корпус, в котором расположены секции статора и закрепленный на валу ротор, состоящий из двух пакетов с возбуждением от кольцевого постоянного магнита и ротора, выполненного с двумя кольцевыми постоянными магнитами, которые разнонаправленно намагничены в радиальном направлении и расположены под пакетами ротора, при этом между пакетами ротора установлена немагнитная втулка, а вал выполнен из магнитного материала.

Недостатком аналога является сложность конструкции.

Задача изобретения - улучшение процесса сборки и обслуживания погружных синхронных электродвигателей, обеспечение надежного соединения модулей.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, являются повышение прочности конструкции многосекционного синхронного двигателя и простота в сборке и обслуживании.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в многосекционном синхронном двигателе, содержащим корпус, в котором размещено несколько секций, каждая из которых имеет статор и закрепленный на валу ротор, согласно изобретению фазные обмотки каждой секции выполнены цельными в виде стержней, которые соединены в П-образной форме, между роторами секций на валу установлены радиальные подшипники, при этом обмотка статора П-образной формы вмонтирована в пазы и соединена так, чтобы обмотка была замкнута

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен поперечный разрез многосекционного синхронного двигателя, на фиг. 2 изображен продольный разрез кольца, на фиг. 3 изображена схема способа укладки обмотки статора.

Предложенное устройство (фиг. 1) содержит: секции ротора 1, состоящие из постоянных магнитов 2; секции магнитопровода статора 3, в котором имеются пазы 4, в котором укладывают обмотку статора 5; радиальные подшипники 6. Отдельные секции магнитопровода статора 3 и колец 7 для соединения секций статора выполнены таким образом, что в них имеются пазы 4 для стержней обмотки статора 5. Обмотки статора 5 выполнены в виде стержней в П-образной форме, которая пронизывает все секции статора синхронного двигателя. При монтаже отдельных частей секций статора в пазы укладываются П-образные стержни обмотки, при этом обмотка замыкается с обратной стороны.

Еще одной особенностью заявляемого изобретения является то, что на стыке отдельных секций ротора вмонтированы радиальные подшипники путем насадки подшипника на вал отдельных секций. Тем самым компенсируется нагрузка вала на прогиб, обеспечивается жесткость конструкции и простота сборки.

Работа многосекционного синхронного двигателя осуществляется следующим образом.

Кольцевые разнонаправленно радиально намагниченные постоянные магниты 2, установленные под пакетами ротора 1, создают магнитный поток, который проходит через пакет статора, обмотку 5, корпус, тем самым создается замкнутая магнитная цепь для прохождения магнитного потока, в которой рассеивание магнитного потока в воздушных зазорах не приводит к существенному уменьшению индукции магнитного поля.

Итак, заявляемое изобретение многосекционного синхронного двигателя позволяет повысить надежность электроустановок подобного типа и при этом упрощает процесс сборки и повышает прочность конструкции, тем самым снижая стоимость электроустановки.

Многосекционный синхронный двигатель, содержащий корпус, в котором размещено несколько секций, каждая из которых имеет статор и закрепленный на валу ротор, отличающийся тем, что фазные обмотки статора каждой секции выполнены в виде стержней, которые соединены в П-образной форме, между роторами секций на валу установлены радиальные подшипники, при этом обмотка статора П-образной формы вмонтирована в пазы и соединена так, чтобы обмотка была замкнута.

edrid.ru

Принцип действия и устройство синхронных машин

Магнитное поле в синхронной машине создается постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения. Потребность в источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения - очень существенный недостаток синхронных машин.

Схема синхронного генератора.

Обычно обмотки возбуждения получают энергию от генератора постоянного тока параллельного возбуждения (возбудителя), находящегося на одном валу с основной машиной.

Его мощность составляет 1-5% мощности синхронной машины. При небольшой мощности широко используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин из сети переменного тока через выпрямители.

Принцип действия синхронного генератора основан на использовании закона электромагнитной индукции. На рис. 1 показана простейшая трехфазная обмотка, состоящая из трех катушек, сдвинутых на 120° и помещенная на роторе (якоре).

Рисунок 1. Принцип действия синхронного генератора.

Катушки соединяют между собой в звезду или треугольник и подключают к трем контактным кольцам, на которых помещают неподвижные щетки. В катушках при вращении якоря индуктируются переменные во времени ЭДС, равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 2/3.

Современные синхронные генераторы изготавливают на линейное напряжение до 16000 В (иногда и выше), изоляция контактных колец и щеток которых представляет собой большую сложность. Основной недостаток такой конструкции - наличие скользящего контакта в цепи основной мощности машины. Для его исключения обмотку якоря, т. е. индуктируемую часть, помещают на статоре, а полюсную систему с обмоткой возбуждения - на роторе машины.

Обмотка возбуждения получает питание через контактные кольца. В этом случае скользящий контакт находится в цепи малой мощности и напряжение в цепи обмотки возбуждения относительно невелико (не более 500 В).

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины.

В зависимости от устройства ротора, различают две конструкции синхронных машин:

Рисунок 2. Схема устройства ротора с явновыраженными (а) и неявновыраженными (б) полюсами.

с явновыраженными полюсами;
с неявновыраженными полюсами.

В машинах с относительно малой частотой вращения роторы выполняют с явновыраженными полюсами. На роторе (рис. 2 а) равномерно помещают явновыраженные полюсы, состоящие из полюсного сердечника 1, на котором расположена катушка обмотки возбуждения 3, удерживаемая полюсным наконечником 2. Такое устройство ротора облегчает выполнение обмотки возбуждения, но при большой частоте вращения не может быть использовано, так как не обеспечивает нужной механической прочности.

Поэтому при большой частоте вращения роторы выполняют с неявновыраженными полюсами (рис. 2 б). Такой ротор изготавливают в виде цилиндра, на части поверхности которого имеются пазы. В пазах укладывают проводники обмотки возбуждения, затем пазы заклинивают и лобовые соединения обмотки возбуждения стягивают стальными бандажами.

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, последний называют гидрогенератором (первичный двигатель - гидравлическая турбина), турбогенератором (первичный двигатель - паровая турбина) и дизель-генератором (первичный двигатель - дизель).

Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем.

Гидрогенераторы - обычно тихоходные явнополюсные машины с большим числом полюсов, выполняемые с вертикальным расположением вала. Турбогенераторы - быстроходные неявнополюсные машины, выполняемые в настоящее время с двумя полюсами. Ротор современного турбогенератора делают из цельной стальной поковки. На части поверхности ротора выфрезованы пазы для размещения обмотки возбуждения. Дизель-генераторы - явнополюсные машины с горизонтальным расположением вала.

Синхронные машины небольшой мощности (до 15 кВА) и невысокого напряжения (до 380/220 В) изготавливают с неподвижной полюсной системой и вращающимся якорем (подобно машинам постоянного тока). Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от синхронного генератора. На статоре двигателя помещают трехфазную обмотку, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока создается вращающееся магнитное поле. На роторе двигателя размещают обмотку возбуждения, включаемую в сеть источника постоянного тока.

Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле токов обмотки статора увлекает за собой полюсы ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной частотой, т. е. с частотой, равной частоте вращения поля статора. Таким образом, частота синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Основное достоинство синхронных двигателей - возможность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает cos всего предприятия, компенсируя реактивную мощность других приемников энергии.

Синхронные двигатели имеют меньшую, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети, вращающий момент у синхронных двигателей пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения.

Поделитесь полезной статьей:

Top

fazaa.ru

Принцип действия и устройство синхронных двигателей

Синхронным называется двигатель, частота вращения ротора которого n равна частоте вращения поля n1 (n= n1).

При несинхронном вращении ротора и поля якоря (n¹ n1) изменяется взаимное положение полей возбуждения и якоря, поэтому электромагнитные силы и моменты также изменяются по значению и направлению с частотой p(n1-n), и среднее за период изменения значение электромагнитного момента М получается равным нулю.

Только при n = n1 сохраняется взаимное положение полей возбуждения и якоря, и поэтому может создаваться ненулевой момент (М¹0). При этом в двигателе поле якоря опережает поле возбуждения и как бы тянет за собой ротор. Электромагнитный момент, действующий на ротор двигателя, направлен в сторону вращения поля и является движущим, обеспечивающим вращение ротора и присоединённой к нему рабочей машины.

Конструкцию синхронного двигателя можно изучить по любому учебнику [2…5] и макету в лаборатории.

studlib.info

Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах. Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора. Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой nо магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

Выше отмечалось, что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где — угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив, получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; — число витков одной фазы обмотки статора; — число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 1200, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения .

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя. Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой ). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и, которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления , ось ротора и его полюсов , сместится в сторону отставания на угол (рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие и создают вращающий момент , где — радиус ротора.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора. В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент . В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя: .

При работе синхронной машины в режиме двигателя поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и в ней индуцируется ЭДС, которая согласно правилу Ленца действует навстречу току статора. По этой причине её называют противо-ЭДС. В установившемся режиме противо-ЭДС почти полностью уравновешивает напряжение сети .

Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора .

Реакция якоря в синхронной машине. Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения , поэтому частота ЭДС и тока статора , где — число пар полюсов машины. Частота вращения магнитного поля статора . Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.

Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генератора с неявно выраженными полюсами ротора, работающего на различную по характеру нагрузку .

При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm1 магнитного потока ротора Ф0 перпендикулярна оси nn1 катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а). Магнитный поток статора Фя замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф0 опережает ось потока статора Фя на электрический угол, равный 900 (поперечная реакция якоря). При этом результирующий магнитный поток машины (ось qq1) поворачивается относительно потока ротора Ф0на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.

При чисто индуктивной нагрузке XL ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 900 по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ().

При емкостной нагрузке XC ток в фазе статора опережает ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 900 до оси mm1 (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину ().

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.

Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой ). Изменение Фрез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора. Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.

electrono.ru

Работа синхронного двигателя

Синхронные машины.

Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.

Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.

Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.

Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.

Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.

Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.

Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.

Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.

При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.

Когда к валу приложим внешний момент сопротивления МСполюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М . Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θи электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.

Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.

Работа синхронного двигателя

Под нагрузкой.

При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:

1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.

2. Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.

3. Потоки рассеяния отсутствуют.

При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:

Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.

Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.

Поле статора индуктирует э.д.с.:

после ротора:

Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.

Э.д.с. индуцируется внешним полем ротора и в режиме двигателя её положительное направление противоположно направлению тока.

Сумму э.д.с. и можно заменить результирующей э.д.с.

Можно считать, что наводится результирующим полем машины:

Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить

; .

Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор

Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора опережает по фазе напряжение сети на угол .

совпадает по фазе с вектором .

Из диаграммы видно, что ток носит емкостный характер. Это происходит в случае если .

Рассмотрим векторную диаграмму для случая, когда . Будем считать, что пространственный угол остался прежним.

Уменьшение приведет к тому, что характер тока цепи статора с емкостного меняется на индуктивный. Величину можно регулировать, изменяя ток возбуждения цепи ротора. Следовательно изменением тока возбуждения ротора можно регулировать коэффициент мощности двигателя.

Синхронного двигателя.

Э.д.с. потока статора целесообразно заменить паданием напряжения на индуктивным сопротивлении , где - синхронное сопротивление машины, представляющее индуктивное сопротивление фазы статора.

Сравнению соответствует эквивалентная схема замещения.

Синхронного двигателя.

И образные характеристики.

Синхронный двигатель принципиально может работать с опережающим или отстающим . Возможна также работа при .

При питании двигателя от сети большой мощности напряжение на его зажимах будет всегда неизменным. Следовательно, результирующая э.д.с. и результирующее потокосцепление статорной обмотки должен оставаться постоянными при любом режиме работы машины.

Регулирование тока возбуждения, т.е. поля ротора, сопровождается таким изменением поля статора, при котором сохраняется постоянным результирующее поле машины.

Рассмотрим случай, когда двигатель работает в режиме холостого хода . Ток возбуждения имеет такую величину, что , последнее равенство обеспечивается, когда . В этом режиме поле ротора имеет ту же интенсивность, что и результирующая поле. Следовательно поле статора должно отсутствовать , и ток в обмотке статора также должен быть равен нулю.

; .

При холостом ходе:

Для количественной оценки регулирования реактивной составляющей тока статора с помощью тока возбуждения используют V – образные характеристики при М=const. Эти характеристики строят экспериментами или на основании расчетов.

Использование синхронного двигателя на промышленных предприятиях целесообразно, так как для питающей цепи он является активно – емкостной нагрузкой при значительном токе возбуждения. В режиме, когда , включение двигателя в сеть подобно подключению сопротивления и батареи конденсаторов. Выпускаемые промышленностью двигатели рассчитаны на работу с 0,8 при опережающем токе.

Пуск синхронных двигателей.

Для разгона синхронных двигателей их роторы снабжают специальной пусковой обмоткой, подобной «беличьему колесу» асинхронных двигателей.

В рабочем режиме при ток в пусковой обмотке становится равным нулю. При толчках нагрузки выпускает ускорение ротора и появляется ток в короткозамкнутой обмотке, который способствует демпфированию качаний ротора. При пуске обмотка возбуждения ротора отключается от источника питания и замыкается через разрядное сопротивление в 6 ÷ 10 раз превышающее сопротивление этой обмотки. Если обмотку не замкнуть, то в момент пуска напряжение на выводах увеличивается в 20 ÷ 30 раз, что приводит к пробою изоляции.

При растяжении обмотка возбуждения автоматически отключается от разрядного сопротивления и замыкается на источник постоянного тока. Двигатель втягивается в синхронизм.

Системах большой мощности.

В современных электрических системах электрическая энергия поступает в сеть от большого числа // работающих генераторов. Отдельные электрические станции объединяются в мощные энергосистемы, куда входят сотни генераторов.

Стабилизация частоты и напряжения осуществляется автоматически. Каждый отдельный генератор может рассматриваться как включенный на зажимы активного двухполюсника с бесконечно малым входным сопротивлением, который замещает всю остальную энергосистему.

Действующее значение напряжения на зажимах генератора постоянно, а частота равна 50 Гц. Любое изменение нормального режима работы генератора не может изменить напряжение и частоту системы, т.е. не может повлиять на работу других машин.

Напряжение на зажимах машины можно принять работой результирующей э.д.с. Е .

Постоянству частоты и амплитуды э.д.с. Есоответствует постоянство частоты и амплитуды потокосцепления результирующих поля машин.

Следовательно при параллельной работе синхронной машины с системой бесконечной мощности результирующее магнитное поле машины должно оставаться неизменным и вращаться в пространстве с постоянной угловой скоростью Ω.

Электродвижущая сила якоря.

Э.д.с. якоря машины постоянного тока равна алгебраической сумме мгновенных значений э.д.с. проводников одной параллельной ветки.

- число витков якоря, - число параллельных ветвей.

, - число витков в одной // ветви якоря.

; - полюсное деление, - число полюсов.

; .

Реакция якоря.

В секциях, проходящих геометрические нейтрали, при нагрузке наводится э.д.с. от потока якоря, что существенно влияет на процесс коммутации в машине.

Искрение на коллекторе.

Искрение – возникновение искрового или дугового разряда при размыкании цепи постоянного тока, обладающий продуктивностью.

Причины искрения: неровности поверхности, неправильный выбор давления пружин на щетку, неудовлетворительная коммутация.

Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки якоря из одной // ветви в другую. Коммутируемая секция, проходя геометрическую нейтраль замыкает щеткой накоротко, а затем размыкается.

, , , .

Ликвидация искрения.

Для компенсации э.д.с. магнитный поток полюсов добавочных должен быть направлен навстречу потоку якоря.

В машинах малой мощности при их работе с постоянной нагрузкой для улучшения коммутации щетки сдвигают в сторону физических нейтралей.

Синхронные машины.

Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.

Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.

Работа синхронного двигателя

Под нагрузкой.

При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:

1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.

2. Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.

3. Потоки рассеяния отсутствуют.

При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:

Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.

Поле статора индуктирует э.д.с.:

после ротора:

Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.

Сумму э.д.с. и можно заменить результирующей э.д.с.

Можно считать, что наводится результирующим полем машины:

Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить

; .

studlib.info