Как работают синхронные машины?

Реферат

Понятие и принцип работы синхронной машины

Синхронная машина состоит из двух частей: индуктора и якоря.

Индуктором называют часть машины, в которой создается первичное магнитное поле. Якорем называют часть машины, в которой индуцируется ЭДС. Наибольшее распространение получили синхронные машины, в которых якорь неподвижен, а индуктор вращается.

Рассмотрим устройство синхронной трехфазной машины, в которой якорь является статором, а индуктор является вращающимся ротором.

Статор такой машины по конструкции аналогичен статору асинхронной машины и состоит из трех основных частей: корпуса (станины), сердечника и обмоток.Сердечник представляет собой полый цилиндр, набранный из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности сердечника имеются пазы, в которые укладывается обмотка статора.

Пазы, как правило имеют прямоугольное сечение.Обмотка статора состоит из трех одинаковых фазных обмоток, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 1200и соединенных звездой.В синхронных машинах применяют роторы двух конструкций: явнополюсные и неявнополюсные. Неявнополюсные роторы используются в синхронных генераторах рассчитанных на скорость вращения ротора 1500 и 3000 оборотов в минуту. В синхронных двигателях используют только явнополюсные роторы.Явнополюсный ротор содержит вал, на котором закреплен обод, а к нему крепятся полюса.Сердечники полюсов набираются из пластин, из электротехнической стали толщиной 0,5 мм, на полюсах крепится обмотка возбуждения, по которой пропускают постоянный ток, подводимый через щетки и контактные кольца, закрепленные на роторе.

Кроме этого в сердечниках полюсов делают пазы, в которые укладывают медные стержни, по одному стержню в каждый паз. С торцов стержни между собой закорачиваются сегментами или кольцами, образуя короткозамкнутую обмотку такого же типа как обмотка у короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя, которая является пусковой обмоткой.На электрических схемах синхронная машина изображается в виде двух концентрических окружностей (внешняя окружность изображает обмотку ротора). К обмотке статора подключается трёхфазная сеть, а к обмотке ротора сеть постоянного тока.

Условное изображение синхронной машины приведено ниже:При пуске обмотка статора подключается к трехфазной сети. Ротор приводится в движении благодаря наличию короткозамкнутой пусковой обмотки. Трехфазные токи, проходя по обмоткам статора создают вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью ?0Поле статора, вращаясь, пересекает стержни пусковой обмотки, индуцируя в них ЭДС, под действием которой по ним будут протекать токи.При взаимодействии этих токов с вращающимся полем статора создается электромагнитный момент, приложенный к ротору, ротор придет во вращение.

Обмотка возбуждения на период пуска замыкается на резистор с целью уменьшения возникающих в ней напряжений. В конце пуска, когда скорость ротора становится достаточно близкой к скорости вращения магнитного поля статора (0,95-0,98) ?0, обмотку возбуждения отключают от резистора, и на нее подается постоянный ток.Постоянное магнитное поле вращающегося ротора сцепляется с вращающим полем статора, и ротор втягивается в синхронизм. После этого ротор продолжает вращаться со скоростью, развивая вращающий момент.

Пусковая обмотка при этом перестает работать, так как поле статора уже не пересекает стержни пусковой обмотки, и ток в ней становится равным нулю.Механическая характеристика при пуске синхронного двигателя соответствует характеристике асинхронного двигателя, а в рабочем режиме представляет собой прямую. Обе характеристики приведены на рисунке 4.8.Электромагнитный момент, приложенный к ротору синхронной машины, создается за счет взаимодействия между магнитными полюсами магнитного поля ротора и вращающимся магнитным полем статора.Изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается изменением взаимного положения магнитных полюсов ротора и вращающегося магнитного поля статора.При идеальном холостом ходе оси полюсов магнитного поля ротора и магнитного поля статора совпадают. Ротор не создает электромагнитного момента.При увеличении нагрузки на вал ротора, ротор несколько отстает в пространстве от магнитного поля статора.

Ось магнитных полюсов ротора будет сдвинута от оси магнитных полюсов статора на некоторый угол ?. За счет взаимодействия между полюсами ротора и статора появится электромагнитный момент.Чем больше угол ?, тем больше будет электромагнитный вращающий момент ротора. При определенном значении угла ?

вращающий момент достигает максимума.Ниже на рисунке показано расположение полюсов магнитного поля статора и ротора при нагрузке в двигательном режиме.Если статический момент нагрузки превысит значение максимального момента, то двигатель выпадает из синхронизма. При приеме и сбросе нагрузки ротор совершает колебания прежде, чем займет определенное положение.Если при работе машины в режиме идеального холостого хода к ротору будет приложен вращающий момент, направленный в сторону вращения, то ось магнитных полюсов ротора сдвинется в сторону вращения на угол ?. Возникнет электромагнитный момент, направленный против вращения ротора (за счет взаимодействия между полюсами магнитных полей ротора и статора) и машина перейдет в генераторный режим работы.Мощность, потребляемая синхронным электродвигателем из сети можно найти из выраженияP=3·U·I.В этом выражении U — фазное напряжение статора, I — фазный ток.

Если не учитывать потери, тогда выражение для электромагнитного момента развиваемого ротором можно записать так:.При q=90° электромагнитный момент, развиваемый ротором принимает максимальное значение:.Тогда электромагнитный момент синхронной машины:M=Mmaxsin?Необходимо отметить, что угол q сдвига по фазе между ЭДС и напряжением статора в двухполюсной машине равен углу сдвига между магнитными полюсами статора и ротора. В многополюсной машине угол q сдвига по фазе между ЭДС и напряжением статора будет больше угла qреальныймежду полюсами на число пар полюсов магнитного поля ротора.Зависимость электромагнитного момента синхронной машины от угла называется угловой характеристикой, она представлена на рисунке.Устойчивый режим работы синхронного двигателя обеспечивается на участке 0<?<900 (устойчивый участок). Обычно номинальный момент двигателя лежит в пределах ?=20…300.

для обеспечения запаса по моменту.Вращающий момент двигателя пропорционален напряжению сети в первой степени, что определяет его меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, чем у асинхронного двигателя.Для торможения обычно применяется режим динамического торможения, при котором обмотки статора отключаются от сети и замыкаются на резисторы. Механические характеристики в этом случае подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении.Принципиальная схема включения синхронного двигателя при динамическом торможении приведена на рисунке.Торможение синхронных двигателей противовключением практически не применяется, так как оно сопровождается большими бросками тока и ведет к усложнению управления ввиду необходимости отключения двигателя при подходе к нулевой скорости.Синхронный двигатель может работать и в режиме генератора параллельно с сетью (рекуперативное торможение), в этом случае электромагнитный момент будет иметь отрицательное значение. Этому режиму отвечает левая ветвь угловой характеристики, угловая скорость вращения при этом не изменяется (равна синхронной).Отличительной особенностью синхронного двигателя является его способность регулирования потребления реактивной мощности.Объясняется это тем, что, при некоторых допущениях можно считать, что ЭДС индуцируемая в обмотках статора (Е=4,44w1f1k1Ф) и равная напряжению сети определяется результирующим магнитным потоком двигателя, который в свою очередь возбуждается намагничивающим током статора и ротора.

Следовательно, значение магнитного потока машины (вращающегося магнитного поля) и напряжение сети связаны пропорциональной зависимостью. При неизменном напряжении сети неизменен магнитный поток машины.В случае, когда ток возбуждения отсутствует (тока в роторе нет), то весь магнитный поток создается током статора, следовательно, синхронный двигатель потребляет из сети реактивную энергию и двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку.Если же машину возбудить, то результирующий магнитный поток будет создаваться как током статора так и током ротора, следовательно, потребление реактивной энергии статором из сети уменьшится.Дальнейшее увеличение тока возбуждения приведет к дальнейшему уменьшению потребления реактивной энергии. При номинальном токе ротора, статор вообще не будет потреблять реактивную энергию из сети, т.

е. магнитный поток машины весь создается током ротора, наступает режим идеального холостого хода. При дальнейшем увеличении тока возбуждения, ток обмотки статора станет размагничивающим, т.

е. статор будет работать и представлять собой по отношению к сети активно-емкостную нагрузку, а машина станет генератором реактивной энергии. Изменяя значение тока возбуждения машины (ток ротора) можно регулировать реактивную мощность синхронного двигателя.

При токе ротора больше номинального (перевозбуждение двигателя) двигатель представляет собой активно-емкостную нагрузку, и его можно использовать для повышения cos j промышленных предприятий.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:Содержание:Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора.Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности.

Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.Устройство синхронного двигателяКонструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока.При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию.

Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами.Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки.

Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем.

Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора.Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения.

Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток.

Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.Как работает синхронный двигательПринцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле.Только после этого он переходит в синхронный режим.

В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации.

После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей.Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой.

Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля.Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.Схема запуска двигателя и его регулировкаУ синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение.

Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.Сам запуск агрегата может производиться разными способами:В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель.Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель.Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД.

Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.Различия синхронных и асинхронных двигателейВсе электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку.Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой.

Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов.

Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Источники:

• mirznanii.com
• fazaa.ru
• electric-220.ru