синхронна машина

Пристрій

Основними частинами синхронної машини є якір і індуктор. Найбільш частим виконанням є таке, при якому якір розташовується на статорі, а на відокремленому від нього повітряним зазором роторі знаходиться індуктор.

Якір являє собою одну або кілька обмоток змінного струму. У двигунах струми, що подаються в якір, створюють обертове магнітне поле, яке зчіплюється з полем індуктора, і таким чином відбувається перетворення енергії. Поле якоря впливає на поле індуктора і називається тому також полем реакції якоря. В генераторах поле реакції якоря створюється змінними струмами, індукованими в обмотці якоря від індуктора.

Індуктор складається з полюсів - електромагнітів постійного струму [1] або постійних магнітів (в мікромашин). Індуктори синхронних машин мають дві різні конструкції: явнополюсную або неявнополюсного. Явнополюсная машина відрізняється тим, що полюса яскраво виражені і мають конструкцію, схожу з полюсами машини постійного струму. При неявнополюсного конструкції обмотка збудження укладається в пази сердечника індуктора, вельми схоже на обмотку роторів асинхронних машин з фазним ротором, з тією лише різницею, що між полюсами залишається місце, незаповнений провідниками (так званий великий зуб). Неявнополюсного конструкції застосовуються в швидкохідних машинах, щоб зменшити механічне навантаження на полюса.

Принцип дії

Як будь-яка електрична машина синхронна машина може працювати в режимах двигуна і генератора.

руховий режим

Принцип дії синхронного двигуна заснований на взаємодії магнітного поля якоря і магнітного поля полюсів індуктора. Зазвичай якір розташований на статорі, а індуктор - на роторі. У потужних двигунах в якості полюсів використовуються електромагніти (струм на ротор подається через ковзний контакт щітка - кільце), в малопотужних - постійні магніти. Існує звернена конструкція двигунів, в якій якір розташований на роторі, а індуктор - на статорі (в застарілих двигунах, а також в сучасних кріогенних синхронних машинах, в яких в обмотках збудження використовуються надпровідники.)

Для розгону зазвичай використовується асинхронний режим, при якому обмотки індуктора замикаються через реостат або накоротко, як в асинхронної машині. для такого режиму запуску в машинах на роторі робиться короткозамкнутая обмотка, яка також виконує роль заспокійливої обмотки, що усуває "розгойдування" ротора при синхронізації. Після виходу на швидкість близьку до номінальної (> 95%) (підсинхронних швидкість) індуктор живиться постійним струмом.

У двигунах з постійними магнітами застосовується зовнішній розгінний двигун.

Часто на валу ставлять невеликий генератор (постійного струму або змінного струму з випрямленням), т.зв. "Збудник" який живить електромагніти.

Також використовується частотний пуск, коли частоту струму якоря поступово збільшують від 0 до номінальної величини. Або навпаки, коли частоту індуктора знижують від номінальної до 0, тобто до постійного струму.

Частота обертання ротора [об / хв] залишається незмінною, жорстко пов'язаної з частотою мережі [Гц] співвідношенням:

де - число пар полюсів ротора.

Синхронні двигуни при зміні збудження змінюють імпеданс з ємнісного на індуктивний. Перезбуджені СД на холостому ходу застосовують в якості компенсаторів реактивної потужності. Синхронні двигуни в промисловості зазвичай застосовують при одиничних потужностях понад 300 кВт, при менших потужностях зазвичай застосовується більш простий (і надійний) асинхронний двигун з короткозамкненим ротором.

генераторний режим

Зазвичай синхронні генератори виконують з якорем, розташованим на статорі, для зручності відведення електричної енергії. Оскільки потужність збудження невелика в порівнянні з потужністю, що знімається з якоря (0,3. 2%), підведення постійного струму до обмотки збудження за допомогою двох контактних кілець не викликає особливих труднощів. Принцип дії синхронного генератора заснований на явищі електромагнітної індукції; при обертанні ротора магнітний потік, створюваний обмоткою збудження, зчіплюється черзі з кожною з фаз обмотки статора, індукуючи в них ЕРС. У найбільш поширеному випадку застосування трифазного розподіленої обмотки якоря в кожній з фаз, зміщених одна відносно одної на 120 градусів, індукується синусоїдальна ЕРС. Поєднуючи фази за стандартними схемами «трикутник» або «зірка», на виході генератора отримують трифазну напругу, що є загальноприйнятим стандартом для магістральних електромереж.

Частота индуцируемой ЕРС [Гц] пов'язана з частотою обертання ротора [об / хв] співвідношенням:

де - число пар полюсів ротора.

Часто синхронні генератори використовують замість колекторних машин для генерації постійного струму, підключаючи їх обмотки якоря до трифазних випрямлячів.

Різновиди синхронних машин

Гідрогенератор - явнополюсний синхронний генератор, призначений для вироблення електричної енергії в роботі від гідравлічної турбіни (при низьких швидкостях обертання 50-600 об / хв).

Турбогенератор - неявнополюсного синхронний генератор, призначений для вироблення електричної енергії в роботі від парової або газової турбіни при високих швидкостях обертання ротора (6000 (рідко), 3000, 1500 об / хв.)

Синхронний компенсатор - синхронний двигун, призначений для вироблення реактивної потужності, що працює без навантаження на валу (в режимі холостого ходу); при цьому по обмотці якоря проходить практично тільки реактивний струм. Синхронний компенсатор може працювати в режимі поліпшення коефіцієнта потужності або в режимі стабілізації напруги. Дає ємнісні навантаження.

Машина подвійного живлення (зокрема АСМ) - синхронна машина з харчуванням обмоток ротора і статора струмами різної частоти, за рахунок чого створюються несинхронні режими роботи

Ударний генератор - синхронний генератор (як правило, трифазного струму), призначений для короткочасної роботи в режимі короткого замикання (КЗ).

Також існують безредукторні, крокові, індукторні, гістерезисна, безконтактні синхронні двигуни.