Принцип действия и конструкция синхронных машин

СМ имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает ос­новное магнитное поле машины. Эта обмотка называется о б м о т к о й в о з б у ж д е н и я. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка явля­ется о б м о т к о й я к о р я и состоит из одной, двух или трех фаз. Наибольшее распространение в синхронных машинах име­ют трехфазные обмотки якоря. В обмотке якоря индуциру­ется основная ЭДС машины.

В СМ наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагает­ся на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе (рис. 19).

Рис. 19. Конструктивные варианты СМ

Иногда в СМ небольшой мощ­ности применяется обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения – на полюсах статора (рис. 19). В электромагнитном отно­шении обе конструкции равноценны. Однако из практичес­ких соображений более предпочтительной является первая конструкция, так как в этом случае к скользящему контак­ту на роторе подводится мощность возбуждения, составля­ющая лишь 0,3—3 % номинальной мощности машины. Во втором варианте скользящий контакт следовало бы рассчи­тывать на полную мощность машины. Для крупных машин, имеющих относительно высокое напряжение и большие токи, обеспечить удовлетворительную работу такого контакта было бы весьма затруднительно. В дальнейшем будут рассматриваться СМ, выполненные по первому (основному) конструктивному варианту.

С е р д е ч н и к с т а т о р а представляет собой полый ци­линдр, набранный из отдельных пластин электротехничес­кой стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра располагаются пазы для укладки обмотки якоря. При внешнем диаметре менее 1 м сердечник соби­рают из цельных кольцевых пластин, а при большем диа­метре каждое кольцо составляют из отдельных пластин, называемых сегментами (рис. 20).

Рис. 20. Сегмент статора крупной СМ

Сердечник размещают в станине (корпусе) статора. В пазы статора укладывают двухслойные петлевые обмотки, а в более крупных маши­нах – одновитковые стержневые волновые обмотки. Пазы, как правило, имеют прямоугольное сечение, а толщина и структура их изоляции зависят от индуцируемой ЭДС. При большом сечении проводников фазы для уменьшения доба­вочных потерь от вихревых токов их разбивают на ряд эле­ментарных проводников, которые по длине обмотки транс­понируют между собой.

По выполнению ротора СМ подразде­ляют на я в н о п о л ю с н ы е и н е я в н о п о л ю с н ы е.

Явнополюсный ротор СМ имеет высту­пающие полюсы, сердечник которых в крупных машинах набирают из пластин конструкционной стали толщиной 1-2 мм, в мелких машинах – из электротехнической стали толщиной 0,5-1 мм. В машинах небольшой мощности по­люсы приворачиваются болтами к валу (рис. 21 (а)), а у тихоходных машин – к ободу ротора (рис. 21 (б)). В круп­ных и относительно быстроходных машинах полюсы крепят к ободу ротора с помощью хвостов, имеющих Т-образную форму или форму ласточкина хвоста. Такое крепление хотя технологически слож­нее, но является более прочным, чем крепление болтами.

Рис. 21. Крепление полюсов к валу (а) и к ободу (б) ротора

Обмотку возбуждения, которую размещают на полюсах, для лучшего охлаждения выполняют в крупных машинах из неизолированной шинной меди большого сечения, намо­танной на ребро. Между соседними витками укладывают изоляционные прокладки, пропитанные в смоле, после чего катушку запекают и устанавливают на полюсе с предвари­тельно нанесенной по его периметру корпусной изоляцией. В машинах небольшой мощности катушки обмотки возбуж­дения выполняют из изолированных проводников прямоугольного или круглого сечения.

На полюсах ротора часто укладывают д е м п ф е р н у ю о б м о т к у (рис. 22). Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по тор­цам замыкают пластинами или кольцами, образуя короткозамкнутые клетки. Демпферные обмотки подразделяют на п р о д о л ь н ы е и п р о д о л ь н о - п о п е р е ч н ы е.

Продольная обмотка получается, если пластины замы­кают с торцов стержни только одного полюса (рис. 22(а)). В продольно-поперечной обмотке соединяются по торцам стержни всех полюсов (рис. 22(б)). В первом случае демпферная обмотка образует контуры, ось которых совпада­ет только с продольной осью машины (с осью полю­сов), а во втором – как с продольной, так и с поперечной осями.

(а) (б)

Рис. 22. Демпферная обмотка продольная (а) и продольно-поперечная (б)

Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В гене­раторах она ослабляет поле обратной последовательности при несимметричной нагрузке и снижает ам­плитуду колебаний ротора, возникающих в некоторых слу­чаях при параллельной работе генератора. В двигателях она является пусковой обмоткой, а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульса­ции нагрузочного момента.

Явнополюсные роторы применяют в крупных машинах с относительно низкой частотой вращения и, следователь­но, большим числом полюсов. Явнополюсные СМ с горизонтальным валом широко используются в качестве двигателей и генераторов. Явнополюсные маши­ны с высокой частотой вращения выполняются только на небольшие мощности.

Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для соединения с гидравлическими турбинами. Такие генераторы называются т у р б о г е н е р а т о р а м и.

Неявнополюсные роторы применяют в крупных син­хронных машинах, имеющих высокую частоту вращения ( 3000, 1500 об/мин). Изготовление крупных машин с такими частотами вращения при явнополюсной конструк­ции невозможно по условиям механической прочности ро­тора, крепления полюсов и обмотки возбуждения. С неявнополюсным ротором выполняются главным образом круп­ные синхронные генераторы (СГ), предназначенные для непосредственного соединения с паровыми турбинами. Такие машины называются т у р б о г е н е р а т о р а м и.

При работе СМ в р е ж и м е г е н е р а т о р а [2] через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, а полюсы создадут постоянное магнитное поле чередую­щейся полярности. При вращении полюсов, а следователь­но, и поля относительно проводников обмотки якоря в них будет индуцироваться переменная ЭДС, причем ЭДС от­дельных проводников фазы суммируются. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространст­ве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках будет индуцироваться трехфазная система фазных ЭДС. Частота этой ЭДС зависит от числа пар полюсов и час­тоты вращения ротора :

, Гц. (12)

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определенной зависимости между собой.

Если к трехфазной обмотке якоря СГ подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля равна:

,об/мин.(13)

Заменяя в (13) частоту ее значением из (12), получа­ем:

, об/мин. (14)

Характерной особенностью СМ, обусло­вившей ее название, является равенство частот вращения ротора и поля якоря.

При работе СМ д в и г а т е л е м трехфазная обмотка статора присоединяется к трехфазной сети, при этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения . Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы при взаимодей­ствии полей момент имел одно и то же направление, они должны быть неподвижными относительно друг друга. Это будет в том случае, если ротор, а следовательно, и его маг­нитное поле будут вращаться с частотой вращения . По­этому в синхронном двигателе ротор как при холостом хо­де, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения поля.