Как работают синхронные машины?

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

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.

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.

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

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.

The magnetic field in the synchronous machine is created by direct current flowing through the excitation coil. The need for a direct-current source for the field supply - a very significant disadvantage of synchronous machines.

The scheme of the synchronous generator

synchronous generator scheme.

Typically the field winding get power from the generator DC shunt (pathogen), located on the same shaft with the main machine.

Its capacity is 1-5% of the power of the synchronous machine. With a small power supply circuits are widely used synchronous machines excitation windings of the AC current through the rectifiers.

The principle of operation of the synchronous generator is based on the law of electromagnetic induction. Fig. 1 shows a simple three-phase winding, consisting of three coils shifted by 120 ? and placed on a rotor (armature).

Figure 1. The principle of synchronous generator action.

Figure 1. The principle of synchronous generator action.

The coils are interconnected in a star or triangle, and is connected to three slip rings, which are placed on the fixed brush. The rotation of the armature coils at the time variables are induced emf equal in amplitude and shifted in phase by 2/3.

Modern synchronous generators are made on the line voltage up to 16,000 V (sometimes higher), Isolation of slip rings and brushes which is a great difficulty. The main disadvantage of this design - the presence of sliding contact in the chain of the main power of the machine. .. To its exclusion armature winding, ie inducible portion is placed on the stator and the pole winding excitation system - a rotor machine.

The winding drive is powered through the contact rings. In this case, sliding contact is in the low power circuit and the voltage in the field winding is relatively small (less than 500).

The stator of the synchronous machine has the same structure as the stator of the asynchronous machine.

Depending on the rotor device, distinguish two synchronous machines structure:

Figure 2. Schematic of a salient rotor device (a) and nonlocalized (b) poles.

Figure 2. Schematic of a salient rotor device (a) and nonlocalized (b) poles.

  • with salient poles;
  • with nonlocalized poles.

In machines with a relatively low speed rotors operate with salient poles. The rotor (Fig. 2 a) uniformly placed salient poles consisting of a pole core 1, on which the excitation coil winding 3, held by a pole piece 2. This device facilitates the rotor field winding, but at high speed can not be used because they do not provide the necessary mechanical strength.

Therefore, when a large speed rotors operate with nonlocalized poles (Fig. 2 b). This rotor is made as a cylinder, a portion of which surface has grooves. The grooves are placed conductors of the field winding, then wedge grooves and frontal field winding connection tightening the steel cable ties.

Depending on the type of prime mover, which is rotated by the synchronous generator, the latter called hydrogenerator (prime mover - hydraulic turbine), turbo-generator (primary engine - steam turbine) and a diesel generator (primary engine - diesel).

The design concept of the synchronous machine

The design concept of a synchronous machine with a stationary and a rotating armature.

Hydraulic generators - usually low-speed salient pole machines with a large number of poles, carried out with a vertical shaft position. Turbine generator sets - high-speed neyavnopolyusnye machines, currently performed by the two poles. The rotor of a modern turbo-generator is made from solid steel forgings. On the surface of the rotor vyfrezovany grooves to accommodate the excitation windings. Diesel generators - salient pole machines with horizontal shaft.

Synchronous small capacity machines (up to 15 kVA) and low voltage (up to 380/220 V) is made with a fixed pole system and a rotating armature (like DC machines). The synchronous motor has no fundamental structural differences from the synchronous generator. In a three-phase motor stator windings are placed, with the inclusion of which in the three-phase alternating current network is created a rotating magnetic field. On the motor rotor excitation coil is placed, includes the DC power network.

Excitation current creates a magnetic poles flow. The rotating magnetic field of the stator winding currents drags the rotor poles. The rotor can rotate only with synchronous frequency, t. E. With a frequency equal to the speed of the stator field. Thus, the frequency of the synchronous motor is strictly constant, if the frequency of the current is unchanged supply.

The main advantage of synchronous motors - the possibility of working with the leading current consumption, ie the motor can be a capacitive load to the network... This increases the engine cos the enterprise to compensate for reactive power of other energy receivers.

Synchronous motors are smaller than the induction, the sensitivity to changes in the supply voltage, the torque at the synchronous motor voltage proportional to the first power network, whereas asynchronous - the square of the voltage.

Магнітне поле в синхронній машині створюється постійним струмом, що протікає по обмотці збудження. Потреба в джерелі постійного струму для живлення обмотки збудження - дуже суттєвий недолік синхронних машин.

Схема синхронного генератора

Схема синхронного генератора.

Зазвичай обмотки збудження отримують енергію від генератора постійного струму паралельного збудження (збудника), що знаходиться на одному валу з основною машиною.

Його потужність становить 1-5% потужності синхронної машини. При невеликій потужності широко використовуються схеми живлення обмоток збудження синхронних машин з мережі змінного струму через випрямлячі.

Принцип дії синхронного генератора заснований на використанні закону електромагнітної індукції. На рис. 1 показана найпростіша трифазна обмотка, що складається з трьох котушок, зсунутих на 120 ° і поміщена на роторі (якорі).

Малюнок 1. Принцип дії синхронного генератора.

Малюнок 1. Принцип дії синхронного генератора.

Котушки з'єднують між собою в зірку або трикутник і підключають до трьох контактних кілець, на яких поміщають нерухомі щітки. У котушках при обертанні якоря индуктируются змінні в часі ЕРС, рівні по амплітуді і зсунуті по фазі на 2/3.

Сучасні синхронні генератори виготовляють на лінійну напругу до 16000 В (іноді і вище), ізоляція контактних кілець і щіток яких представляє собою велику складність. Основний недолік такої конструкції - наявність ковзного контакту в ланцюзі основний потужності машини. Для його виключення обмотку якоря, т. Е. Індуковану частина, поміщають на статорі, а полюсну систему з обмоткою збудження - на роторі машини.

Обмотка збудження живиться через контактні кільця. В цьому випадку ковзний контакт знаходиться в ланцюзі малої потужності і напруга в колі обмотки збудження відносно невелике (не більше 500 В).

Статор синхронної машини має такий же пристрій, як і статор асинхронної машини.

Залежно від пристрою ротора, розрізняють дві конструкції синхронних машин:

Малюнок 2. Схема пристрою ротора з явновираженнимі (а) і неявновираженнимі (б) полюсами.

Малюнок 2. Схема пристрою ротора з явновираженнимі (а) і неявновираженнимі (б) полюсами.

  • з явновираженнимі полюсами;
  • з неявновираженнимі полюсами.

У машинах з відносно малою частотою обертання ротори виконують з явновираженнимі полюсами. На роторі (рис. 2 а) рівномірно поміщають явновираженние полюси, що складаються з полюсного сердечника 1, на якому розташована котушка обмотки збудження 3, утримувана полюсним наконечником 2. Такий пристрій ротора полегшує виконання обмотки збудження, але при великій частоті обертання не може бути використано, тому що не забезпечує потрібної механічної міцності.

Тому при великій частоті обертання ротори виконують з неявновираженнимі полюсами (рис. 2 б). Такий ротор виготовляють у вигляді циліндра, на частині поверхні якого є пази. У пазах укладають провідники обмотки збудження, потім пази заклинивают і лобові з'єднання обмотки збудження стягують сталевими бандажами.

Залежно від роду первинного двигуна, яким приводиться в обертання синхронний генератор, останній називають гідрогенератором (первинний двигун - гідравлічна турбіна), турбогенератором (первинний двигун - парова турбіна) і дизель-генератором (первинний двигун - дизель).

Конструктивна схема синхронної машини

Конструктивна схема синхронної машини з нерухомим і обертовим якорем.

Гідрогенератори - зазвичай тихохідні явнополюсние машини з великим числом полюсів, що виконуються з вертикальним розташуванням вала. Турбогенератори - швидкохідні неявнополюсного машини, що виконуються в даний час з двома полюсами. Ротор сучасного турбогенератора роблять з цільної сталевий поковки. На частині поверхні ротора вифрезовани пази для розміщення обмотки збудження. Дизель-генератори - явнополюсние машини з горизонтальним розташуванням валу.

Синхронні машини невеликої потужності (до 15 кВА) і невисокої напруги (до 380/220 В) виготовляють з нерухомою полюсной системою і обертовим якорем (подібно машинам постійного струму). Синхронний двигун не має принципових конструктивних відмінностей від синхронного генератора. На статорі двигуна поміщають трифазну обмотку, при включенні якої в мережу трифазного змінного струму створюється обертове магнітне поле. На роторі двигуна розміщують обмотку збудження, що включається в мережу джерела постійного струму.

Струм збудження створює магнітний потік полюсів. Обертове магнітне поле струмів обмотки статора захоплює за собою полюси ротора. При цьому ротор може обертатися тільки з синхронною частотою, т. Е. З частотою, рівній частоті обертання поля статора. Таким чином, частота синхронного двигуна строго постійна, якщо незмінна частота струму мережі живлення.

Основна перевага синхронних двигунів - можливість їх роботи зі споживанням випереджаючого струму, т. Е. Двигун може являти собою ємнісне навантаження для мережі. Такий двигун підвищує cos всього підприємства, компенсуючи реактивну потужність інших приймачів енергії.

Синхронні двигуни мають меншу, ніж у асинхронних, чутливість до зміни напруги мережі живлення, що обертає момент у синхронних двигунів пропорційний напрузі мережі в першого ступеня, тоді як у асинхронних - квадрату напруги.


» » » Как работают синхронные машины?