Устройство, конструкция и разновидности синхронных машин

Устройство

Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).

Рис. 1. Устройство синхронного электродвигателя

• Статор или якорь – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.
• Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами намотки и расположения проводников. Применяется для подачи напряжения питания и формирования рабочего магнитного потока.
• Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.
• Вал – используется для передачи вращательного усилия от электродвигателя к подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
• Контактные кольца – применяются для подачи питания на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание производиться через специальный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
• Корпус – предназначен для защиты от воздействия внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность, в зависимости от условий его эксплуатации.

Что касается перегрузочных способностей

Тут все зависит от токов возбуждения. Если повысить перегрузочную способность и принцип работы двигателя и при этом снизить силу электричества, то сделать это можно, увеличив питание возбуждения на возбудителе. При автоматическом изменении питания участвует реле напряжения, а его катушку подключают к питающим сетям мотора посредством трансформаторов электричества и промежуточных реле. Если питание в сети нормальное, то катушка открыта. При снижении силы электричества контакты закрываются и на катушку подходит питание.

Повышение перегрузочной способности механизмов

Также повысить перегрузочную способность мотора, когда снижается электричество в сети, можно увеличив питание возбуждения. Автоматически изменить питание возбуждения можно через реле питания, но его катушка должна подключаться к питающим сетям механизма посредством трансформатора для электричества, а также промежуточных реле. Если нормальное электричество в сети, то то контакты в цепях открыты. А при его снижении, они закрываются и на катушку идет питание, затем реле будут шунтироваться своими контактами реостаты в цепях возбудителей.

Перегрузочная способность синхронного мотора

Благодаря форсировке возбуждения получится на короткое время повысить перегрузочную способность двигателей, тем самым получается дополнительная реактивная мощность. После увеличения питания статора во время форсировки повысится устойчивость оборудования при пониженном питании, а увеличивается отдаваемая им реактивная мощность, поэтому хорошо это скажется на режиме работы потребителя в данных узлах нагрузок.

После того как становится понятным выражение максимального момента, становится понятно, что последние перегрузочные способности агрегатов являются пропорциональными первой степени напряжения. Это отличается от асинхронных движков — ведь у них она является пропорциональной квадрату питания. Можно сделать вывод, что синхронные модели механизмов являются не такими чувствительными к смене напряжения.

Вывод:

посредством реактивного момента получается увеличить крутизну на рабочем участке угловой характеристики и в некотором роде повысить перегрузочную способность мотора. Выходит, что перегрузочные способности синхронных моделей будут не такими чувствительными к снижению питания в сети, нежели у асинхронных агрегатов. Это очень важно!

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя

Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

• в точке 1 максимальная ЭДС EA формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз EB и EC равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
• в точке 2 пика достигает ЭДС EB, а электродвижущие силы фаз EA и EC становятся равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
• в точке 3 максимум приходиться на ЭДС EC, а электродвижущие силы фаз EB и EA вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Электрические машины

МОиН РФ

Омский государственный технический университет

Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»

Электрические машины

ЛЕКЦИЯ: “ Магнитное поле и основные параметры синхронных машин. Холостой ход синхронного генератора. Реакция якоря. Метод двух реакций. Электромагнитные параметры в относительных единицах.”

Омск 2005

1. Основные термины и определения (ГОСТ “Машины электрические вращающиеся”).

1. Характеристика холостого хода электромашинного генератора (характеристика холостого хода)

— зависимость электродвижущей силы об­мотки якоря вращающегося электрома­шинного генератора от тока возбуждения при разомкнутой обмотке якоря и при за­данной частоте вращения

2. Нормальная характеристи­ка холостого хода электромашин­ного генератора (нормальная характеристика хо­лостого хода)

— усредненная характеристика холостого хода электромашинного генератора, выра­женная в относительных единицах

3. Магнитная индукция в рабочем зазоре вращающейся электрической машины — а

мплитуда основной гармонической в кривой распределения магнитной индукции в рабочем зазоре в режиме холостого хода при номинальном напряжении вращающейся электрической машины

4. Реакция якоря вращаю­щейся электрической машины —

воздействие магнитодвижущей силы об­мотки якоря на магнитное поле вращающейся электрической машины, соз­даваемое обмоткой возбуждения или по­стоянными магнитами

5. Продольная реакция якоря вращающейся электрической ма­шины (продольная реакция якоря)

— реакция якоря вращающейся электричес­кой машины, образуемая составляющей намагничивающей силы обмотки якоря, создающей магнитный поток, направлен­ный по продольной оси полюсов

6. Поперечная реакция якоря вращающейся электрической ма­шины (поперечная реакция якоря)

— реакция вращающейся электрической машины, образуемая составляющей на­магничивающей силы обмотки якоря, соз­дающей магнитный поток, направленный по поперечной оси полюсов

7. Составляющая намагничи­вающей силы обмотки по про­дольной оси синхронной машины (составляющая намагничивающей силы по продольной оси)

— составляющая намагничивающей силы обмотки, направленная вдоль оси полю­сов индуктора синхронной машины

8. Составляющая намагничи­вающей силы обмотки по по­перечной оси синхронной маши­ны (

составляющая намагничивающей силы по поперечной оси) — составляющая намагничивающей силы обмотки, которая направлена перпендикулярно к оси полюсов индуктора синхрон­ной машины

9.Составляющая тока об­мотки по продольной оси син­хронной машины

(составляющая тока по про­дольной оси) — составляющая тока обмотки, создающая составляющую намагничивающей силы об­мотки, направленную по продольной оси синхронной машины

10. Составляющая тока об­мотки по поперечной оси син­хронной машины

(составляющая тока по по­перечной оси) — составляющая тока обмотки, создающая составляющую намагничивающей силы обмотки, направленную по поперечной оси полюсов индуктора синхронной машины

2. Холостой ход синхронных генераторов

Под холостым ходом автономного синхронного генера­тора понимается такой режим работы, когда ротор враща­ется приводным двигателем, а ток в разомкнутой обмотке якоря равен нулю. В этом случае магнитное поле машины будет создаваться только током обмотки возбуждения. Это поле можно разложить на две составляющие: основное по­ле, магнитные линии которого проходят через воздушный зазор и сцепляются с обмоткой якоря, и поле рассеяния по­люсов, магнитные линии которого сцепляются только с об­моткой возбуждения.

Магнитный поток основного поля при вращении ротора индуцирует в обмотке якоря ЭДС. К ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря синхронного генератора, и к напряжению на его выводах предъявляется требование, чтобы их форма приближалась к синусоидальной. Это вызвано тем, что при синусоидальных ЭДС и напряжении ток в якоре и в нагруз­ке при линейном характере магнитной цепи и нагрузки так­же будет синусоидальным. Вследствие этого общие потери в генераторе и у потребителей уменьшаются, так как будут отсутствовать добавочные потери от высших гармоничес­ких. Проверка синусоидальности кри­вой выполняется для линейного напряжения при рабочей схеме соединения обмотки якоря. Критерием для оценки служит коэффициент искажения синусоидальности кривой, выраженный в процентах:

где Em

,
Emv
— амплитудное (или действующее) значение основной и высшей гармонической составляющей ЭДС.

Стандартом предписывается иметь коэффициент иска­жения кривой линейного напряжения в трехфазных генера­торах переменного тока частотой 50Гц не более 5 % для генераторов мощностью свыше 100 кВ∙А и не более 10% для генераторов мощностью до 100 кВ∙А.

Рис. 1. Полюс явнополюсного синхронного генератора с неодина­ковым воздушным зазором (а) и распределение магнитной индукции в зазоре (б)

→

Рис. 2. Полюсное деление неявнополюсного синхронного генератора (а) и кривая распределения МДС возбуждения (б)

Для получения кривой ЭДС, близкой к синусоиде, прежде всего необходимо, чтобы кривая поля возбуждения машины была по возможности ближе к синусоиде. В явно-полюсной машине для этого зазор между полюсом и стато­ром выполняют неодинаковым (рис. 1, а). Обычно под краями полюса зазор принимают в 1,5—2 раза большим, чем под серединой. Распределение индукции

под полюсом при такой конфигурации его наконечника показано на рис. 1, б. Там же штриховой линией для сравнения, по­казана кривая индукция при равномерном зазоре.

В неявнополюсной машине улучшение формы поля воз­буждения достигается выбором соотношения между обмо­танной и необмотанной частями полюсного деления (рис. 2, а). Пренебрегая влиянием пазов, создающих некоторую ступенчатость в кривой МДС и индукции, мож­но принимать, что МДС возбуждения, а также кривая по­ля распределены по окружности цилиндрического ротора с неявными полюсами по закону трапеции. Тогда амплиту­ды основных гармоник МДС и индукции поля будут соот­ветственно равны:

где FB1

и
Вσ1
—максимальные значения 1-й гармонической МДС обмотки возбуждения на один полюс и
индукции в за­зоре
;
wB
,
I
B —витки обмотки возбуждения на полюс и ток возбуждения.

В целях улучшения кривой поля возбуждения необмо­танную часть выбирают равной τ/3 (α=π/3). В этом случае ( в кривой поля будут отсутствовать все гармоники с номером, кратным 3, а остальные высшие гармоники будут ослаблены. Кроме того, для улучшения формы кривой индуцированной ЭДС применяют распределение обмотки якоря по пазам и укорочение ее шага. В крупных многополюсных машинах улучшению кривой ЭДС способ­ствует применение обмоток с дробным q

.

Важной характеристикой синхронной машины является характеристика холостого хода

. Она представляет собой зависимость ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря Е, от то­ка в обмотке возбуждения
I
B при неизменной частоте вра­щения ротора. Эта характеристика позволяет оценить насы­щение магнитной цепи машины, кроме того, ее используют для построения векторных диаграмм и других характери­стик машины.

Расчетным путем характеристика холостого хода может быть получена из расчета магнитной цепи.

На рис. 3 показана схема для снятия характеристи­ки холостого хода опытным путем. С помощью резистора R

B ток возбуждения изменяют от максимального значения до нуля, записывая при этом показания амперметра и вольт­метра. Опытная характеристика холостого хода показана на рис. 4 штриховой линией. При
I
B= 0 ЭДС равна ЭДС от остаточного магнетизма
EOCT
=2÷3 %
UHOM
. При расчетах обычно используют характеристику холостого хода, ко­торую получают, смещая опытную характеристику вправо на отрезок A0 (сплошная линия).

На основании сравнения характеристик холостого хода различных синхронных генераторов было установлено, что эти характеристики мало отличаются друг от друга, если построение их производить в относительных единицах. При переводе ЭДС в относительные единицы ее текущее значе­ние в вольтах делят на номинальное напряжение якоря (Е*=E/UHOM

). Относительное значение тока возбуждения находят по отношению текущего значения тока возбужде­ния в амперах к току, принятому за базовый
I
B,б . За базовый ток возбуждения
I
B,б принимается ток, соответствующий по характеристике холостого хода
E=UНОМ.

Полученные таким образом характеристики называются нормальными характеристиками холостого хода. Данные этих характеристик для явнополюсных и неявнополюсных генераторов приведены в таблице.

Примечание. В числителе дроби дана ЭДС явнополюсных генераторов (гидрогенераторов), а в знаменателе — неявнополюсных генераторов (турбогенера­торов).

3. Реакция якоря

Если одиночный трехфазный синхронный генератор под­ключить к симметричной нагрузке, то по фазам обмотки якоря будут протекать равные, но сдвинутые относительно Друг друга на электрический угол, равный 120°, токи. Эти токи создадут вращающееся магнитное поле. Поле якоря перемещается в пространстве с той же частотой вращения и в ту же сторону, что и поле возбуждения, т. е. по отношению друг к другу эти поля будут не­подвижны. Результирующее поле машины при нагрузке бу­дет создаваться совместным действием МДС обмотки воз­буждения и МДС обмотки якоря. Оно будет отличаться от поля при холостом ходе.

Воздействие МДС якоря на поле машины называется реакцией якоря. Характер этого воздействия зависит от взаимного расположения в пространстве полей возбуж­дения и якоря. Поле возбуждения всегда направлено по оси полюсов и обусловливает ЭДС в проводниках обмотки яко­ря. Принято ось, совпадающую с осью полюсов, называть продольной осью машины, а ось, перпендикулярную ей, — поперечной. Ориентация поля якоря в простран­стве зависит от распределения тока в проводниках его об­мотки, что в свою очередь определяется углом сдвига этого тока от индуцируемой ЭДС. В дальнейшем этот угол сдви­га будем обозначать буквой ψ. Угол ψ изменяется от π/2 до -π/2 и зависит от характера нагрузки генератора. Рас­смотрим с качественной стороны проявление реакции яко­ря в трех крайних случаях.

Токи в фазах отстают от соответствующих ЭДС на угол ψ=π/2. Если пренебречь относительно малым активным со­противлением фазы якоря, то можно считать, что такому углу соответствует индуктивный характер нагрузки.

На рис. 5 показан поперечный разрез двухполюсного синхронного генератора. Для упрощения обмотка каждой фазы представлена одновитковой катушкой с диаметраль­ным шагом. Будем считать, что магнитное поле полюсов имеет синусоидальный характер. При вращении ротора в обмотках фаз якоря наводятся ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки. Для момента времени, изображенного на рис. 6, направление этих ЭДС пока­зано значками: крестик и точка вне пределов проводника. Максимальная ЭДС будет индуцироваться в проводниках фазы А, расположенных под серединами полюсов, где ин­дукция имеет максимальное значение.

Для упрощения обмотка каждой фазы представлена одновитковой катушкой с диаметраль­ным шагом. Будем считать, что магнитное поле полюсов имеет синусоидальный характер. При вращении ротора в обмотках фаз якоря наводятся ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки. Для момента времени, изображенного на рис. 5, направление этих ЭДС пока­зано значками: крестик и точка вне пределов проводника. Максимальная ЭДС будет индуцироваться в проводниках фазы А, расположенных под серединами полюсов, где ин­дукция имеет максимальное значение.

На рис. 6 показана векторная диаграмма ЭДС и то­ков. Величину и направление мгновенные значения токов в фазах и их направление определяют, проектируя векторы токов IA

,
IB
,
IС
на вертикальную ось. Исходя из этого, на рис. 5 внутри проводников показано направление токов в фазах. Как следует из рис. 5 и 6, ток в фазе А в рас­сматриваемый момент времени равен нулю, а в фазах В и С токи равны, но противоположны по направлению. Эти токи создают магнитное поле, направление которого, определен­ное по правилу буравчика, показано на рис. 5. По отно­шению к оси полюсов оно является продольным и направ­лено навстречу полю возбуждения. Таким образом, при индуктивной нагрузке в синхронном генераторе возникает продольная размагничивающая реакция якоря вследствие чего результирующий поток и индуцированная в обмотке якоря ЭДС будут меньше, чем при холостом ходе.

Если, использовав правило левой руки по рис. 5, оп­ределить направление сил f

, действующих на проводники якоря, то можно установить, что на проводники, располо­женные под одним и тем же полюсом, действуют силы, на­правленные в противоположные стороны, и результирую­щий электромагнитный момент машины будет равен нулю. Таким образом, при продольной реакции якоря в синхрон­ном генераторе не создается электромагнитного момента.

Емкостная нагрузка. Токи фаз опережают соответствую­щие ЭДС на угол ψ=-π/2. На, рис. 7 дан поперечный разрез синхронного генератора, соответствующий тому же моменту времени, что и на рис. 5. На нем согласно век­торной диаграмме (рис. показано направление токов в проводниках обмотки якоря. В рассматриваемом случае распределение тока по проводникам якоря сохраняется та­ким же, как и при индуктивной нагрузке, но изменяется на противоположное направление тока в фазах В

и
С
. В соответствии с этим поле якоря по отношению к оси полюсов! будет также продольным, но оно будет оказывать намагни­чивающее действие на поле возбуждения. Следовательно, при емкостной нагрузке реакция якоря в синхронном гене­раторе будет продольной и намагничивающей.

По аналогии с предыдущим случаем можно показать, что при емкостной нагрузке не создается электромагнитный момент.

Нагрузка, соответствующая ψ=0. В этом случае токи фаз будут совпадать с индуцированными в них ЭДС. Для этого синхронный генератор должен быть нагружен не на активную, а на активно-емкостную нагрузку . Емкостное сопротивление хCНГ

должно быть подобрано так, чтобы оно компенсировало индуктивное сопротивление фа­зы обмотки якоря.

Разрез машины и векторная диаграмма для рассматри­ваемого случая показаны на рис. 9, 10. Максимальный ток будет в фазе А, где в данный момент ЭДС также мак­симальна. В фазах В и С токи в 2 раза меньше, чем в фазе А, и противоположно направлены току в фазе А. Магнит­ное поле, созданное токами якоря, по отношению к оси по­люсов, является поперечным. Оно будет ослаблять поле на набегающей половине полюса и усиливать его на сбегающей половине полюса.

Поперечное поле якоря не изменяет потока, если маши­на ненасыщенна, и будет несколько уменьшать его в насы­щенной машине. Таким образом, при нагрузке, когда ψ=0, возникает поперечная реакция якоря, искажающая магнит­ное поле в зазоре машины. Для данного случая электромаг­нитные силы, создаваемые током, протекающим по проводникам обмотки статора, на­правлены в одну и ту же сто­рону, совпадающую с на­правлением вращения рото­ра.

Рис. 9. Реакция якоря при ψ=0

→

Рис. 10. Векторная диаграм­ма синхронного генератора для момента времени, изображенно­го на рис. 9

Рис. 11. Разложение тока I

на продольную
I
d и поперечную
Iq
составляющие

Поскольку эти проводни­ки вместе со статором неподвижны, то возникает реакция на ротор, направленная в сторону, противоположную его вращению. Таким образом, при ψ=0 электромагнитные силы в генераторе будут соз­давать тормозной момент, действующий на ротор.

В общем случае, когда 0<|ψ|<90°, ток I

можно раз­ложить на две составляющие (рис. 11).

Одна из этих составляющих I

q совпадает по фазе с ЭДС, создает поперечную реакцию якоря и носит название
поперечного тока якоря
. Другая составляющая
I
α. пер­пендикулярна ЭДС, создает продольную реакцию якоря и носит название
продольного тока якоря
. Таким об­разом, в общем случае в машине при нагрузке будет суще­ствовать как продольная, так и поперечная реакция якоря.

4. Особенности реакции якоря в явнополюсном генераторе. Метод двух реакций

Магнитный поток якоря пропорционален МДС обмотки якоря F

a и обратно пропорционален магнитному сопротив­лению Rμ контура, по которому этот поток замыкается. Ос­новную часть магнитного сопротивления составляют воз­душные промежутки σ между статором и ротором. В неявнополюсном генераторе можно принять, что вдоль всего полюсного деления машины σ=const, а следовательно, Rμ=const. Поэтому в этих генераторах поток якоря и индуци­руемая им ЭДС
Е
а являются функцией МДС
F
а и не зави­сят от положения оси этой МДС относительно полюсов.

В явнополюсной синхрон­ной машине ротор в магнит­ном отношении является несим­метричным (по продольной его оси воздушный зазор меньше, чем по поперечной). Вследст­вие этого при изменении ха­рактера нагрузки и угла ψ магнитное сопротивление для потока якоря будет меняться. Поэтому в явнополюсном ге­нераторе созданный якорем магнитный поток и его форма зависят от двух величин — МДС F

a и угла ψ. Это вызы­вает затруднения в учете вли­яния поля якоря на поле воз­буждения.

Рис. 12. Разложение МДС якоря F

а на две составляющие:
F
d и
F
q

Для облегчения учета реакции якоря в явнополюсной ма­шине широко применяется метод двух реакций, предложен­ный в 1895 г. французским электротехником А. Блонделем.

Согласно этому методу 1-я гармоника МДС реакции якоря F

a раскладывается на две составляющие:

На рис. 12 для двухполюсной машины показаны векторы МДС F

α и составляющие этой МДС
F
d и
F
q. Прост­ранственный вектор МДС
F
α на рисунке ориентирован в со­ответствии с распределением тока
i
в проводниках обмотки статора (внешняя окружность). Предполагается, что ток отстает от индуцированной ЭДС на угол ψ. Направление ЭДС
е
в проводниках определено по правилу правой ру­ки и показано на внутренней окружности рис. 12.

Составляющая F

d совпадает с осью полюсов и является
продольной составляющей реакции якоря
. Составляющая
F
q направлена перпендикулярно оси полюсов и является
по­перечной реакцией якоря
. Можно принять, что первая сос­тавляющая создается током
I
d, а вторая — током
I
q (см. рис. 11). Первые гармоники МДС составляющих реакции якоря будут равны:

По оси каждой из составляющих реакции якоря воз­душные зазоры между статором и ротором неизменны, по­этому потоки, созданные этими составляющими, будут за­висеть только от соответствующих МДС. Распределение кривой поля для каждой из составляющих реакции якоря сохраняет свою форму при любых значениях угла ψ и будет зависеть от зазора и конфигурации полюсного наконечника.

При расчетах и построении векторных диаграмм для син­хронных явнополюсных машин приходится определять ре­зультирующую МДС при нагрузке от совместного действия обмоток возбуждения и якоря. Но эти обмотки имеют раз­личное пространственное распределение, и поэтому одина­ковые МДС этих обмоток создадут различные потоки 1-й гармоники в зазоре машины. Распределенная обмотка яко­ря создает синусоидальные МДС Fd и Fq, а сосредоточенная обмотка возбуждения образует МДС FB прямоугольной фор­мы. Поэтому, чтобы определить результирующую МДС, тре­буется сделать приведение одной МДС к другой. Так как обычно при расчетах и построении диаграмм используется характеристика холостого хода E=f(FB)

, то целесообразно сделать приведение МДС якоря к обмотке возбуждения.

Для того чтобы для МДС Fd и Fq найти эквивалентные им по действию МДС обмотки возбуждения Fad и Faq, тре­буется умножить первые соответственно на коэффициенты kd

. и
kq
:

Таким образом, МДС обмотки возбуждения Fad

и
Faq
будут создавать такое распределение полей, 1-е гармоники которых будут индуцировать в обмотке якоря такие же ЭДС, как и 1-е гармоники полей, созданных МДС
Fd
и
Fq
(соответственно).

5. Электромагнитные параметры в относительных единицах

В теории установившихся, и особенно переходных, процессов синхронной машины широко используются относительные единицы. При этом за базисные величины тока, напряжения, сопротивления и индуктивности цепи якоря прини­маются их номинальные фазные значения:

; . (1)

Относительные значения сопротивлений г, х,
z
и индуктивности
L
цепи якоря:

; ; ; . (2)

Относительные величины индуктивности L*

и соответствующего ей индуктивного сопротивления
х*
таким образом, равны.

Действующие значения тока I

и напряжения
U
якоря в отно­сительных единицах:

; . (3)

Относительная величина тока возбуждения рассмотрена выше при построении нормальной характеристики холостого хода.

6. Основные положения

1. Для улучшения синусоидальности распределения магнитного поля в воздушном зазоре синхронной машины:

— в явнополюсной машине зазор между полюсом и стато­ром выполняют неодинаковым;

— в неявнополюсной машине достигается выбором соотношения между обмо­танной и необмотанной частями полюсного деления (обмотка обычно занимает 2/3 полюсного деления).

2. Нормальная характеристика холостого хода:

(в числителе дроби дана ЭДС явнополюсных генераторов (гидрогенераторов), а в знаменателе — неявнополюсных генераторов (турбогенера­торов)).

3. Воздействие МДС якоря на поле машины называется реакцией якоря

.

4. Ток якоря I

и намагничивающую силу, созданную им, раскладывают на две составляющих:

Это называется метод двух реакций.

5. За базисные величины тока, напряжения, сопротивления и индуктивности цепи якоря, при представлении их в относительных единицах, прини­маются номинальные фазные значения.

7.
Контрольные вопросы и домашнее задание

8. Литература

1. Токарев машины.– М.: Энергоатомиздат, 1990, 624 с.

2. Копылов машины – М.: Логос, 2000, 607с.

3. Вольдек машины. – Л.: Энергия, 1978. – 832с.

Получить текст

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

• плохо переносят перегрузки;
• имеют сложности пуска со значительным усилием;
• меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Рабочий процесс

Синхронный двигатель это электротехническое устройство, работающее на основе закона электромагнитной индукции. Принцип работы и устройство СД предусмотрены из условия практического применения этого физического явления. Магнитное поле создается трехфазной обмоткой, размещенной в пазах статорного пакета аналогично цепи асинхронной машины. На роторе размещена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Питание к ней подводится через щетки и кольца. Постоянный ток, протекающий по возбуждающей обмотке, взаимодействует с вращающимся полем индуктора, что вызывает круговое движение вала. Вращающий момент зависит от токовой нагрузки и не зависит от скорости. Вот почему этот тип привода называется синхронный электродвигатель, то есть частота оборотов якоря равна скорости поля индуктора.

После запуска синхронный двигатель переменного тока вращается одновременно с магнитным потоком. СД не может запускаться с помощью только питающей сети. Это объясняется инерционностью роторного блока и высокой скоростью вращающегося поля. Схема включения маломощной машины предусматривает использование пусковых (демпферных) обмоток, с которыми она работает как синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (то есть реализуется асинхронный пуск). В случае мощных электроприводов пуск производится вспомогательным электромотором или преобразователем частоты.

Наибольшее распространение получил асинхронный пуск, предусматривающий устройство дополнительной КЗ-обмотки. В этом случае синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запускается аналогично асинхронному эл/двигателю. Вследствие таких действий роторный механизм разгоняется до скорости вращающегося магнитного потока. Если синхронный электродвигатель нагружается, расстояние между полюсами якоря и поля увеличивается. Как результат, якорный механизм отстает на нагрузочный угол, что соответствует отставанию от своего положения на холостом ходу.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя предусматривают эксплуатацию привода с постоянной скоростью, которая не зависит от нагрузки. СД не рассчитан на нагрузку, величина которой превышает пусковую мощность между роторным механизмом и магнитным потоком. В противном случае синхронизм прерывается, и работа синхронного двигателя останавливается.

Разновидности

В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:

• питающему напряжению;
• частоте рабочего напряжения;
• количеству оборотов.

В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:

• С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
• С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок 6).

Рис. 6. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами
С реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Рис. 7. Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:

• явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
• неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;

В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Механическая и угловая характеристика

В силу особенностей, присущих синхронному двигателю, значение его момента не зависит от оборотов вращения. Это свойство привода определяет его назначение и сферу применения. Технические качества приводного оборудования для конфигурирования электропривода оцениваются зависимостью частоты вращения мотора от электромагнитного момента, развиваемого им. Эта зависимость известна как механическая характеристика синхронного двигателя. Она может быть статической или динамической. Первая показывает поведение СД в стабильном рабочем режиме. Вторая характеризует его работу в переходный период.

Качество механических характеристик оценивается жесткостью. Относительно этого параметра все характеристики делятся на идеально жесткие, жесткие и мягкие. В связи с тем, что частота вращения ротора синхронного двигателя под нагрузкой не меняется, этот тип электромоторов обладает идеально жесткой характеристикой, что выражается формулой:

n = 60*f1/p,

где f1

– частота тока статора;

p –

число пар полюсов статорной обмотки.

Но зависимость n = f (M)

не отражает полного поведения мотора, в котором при увеличении нагрузки происходит смещение осей поля индуктора и якоря. Каждой нагрузке соответствует определенный угол между их осями. Уравнение угловой характеристики:

Mэм = Mmax*sin θ

Это формула, выражает приблизительную зависимость момента на валу от угла вылета ротора. В реальных условиях максимальному моменту соответствует угол, несколько меньший, чем 90˚. При этом перегрузочная способность СД равна: λм = Мmax/MN = 2–3.

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

Общий принцип действия

По соответствию основному исполнению, статор считается якорем машины и имеет многофазную обмотку, чаще всего, рассчитанную на три фазы. Он выступает в качестве индуктора, обмотка ротора (возбуждения) служит для создания потока магнитной индукции возбуждения, ее питание осуществляется при использовании контактных колец, через щеточный механизм, от источника (якоря возбудителя). Конструктивное исполнение машины, прежде всего, зависит от необходимой частоты вращения, главным образом это сказывается на конструктивных особенностях ротора, он бывает двух основных видов, это явнополюсный и неявнополюсный типы.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 9, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Достоинства синхронных моделей

У них нет начальных пусковых моментов. Как это изобразить? Когда их подключают к сети переменного напряжения при неподвижности электромагнита, а по обмотке наступает прохождение постоянного напряжения, то в течение одного периода будут меняться электромагнитные моменты, а вместе с ними и меняется направление, потому что средний момент в течение периода будет равен 0. Во время этих условия двигатель не сможет вращаться из-за ротора, имеющего определенную инерцию. Об этом свидетельствует исследование.

Самые распространенные способы запуска:

• частотный — агрегат и его запитка плавно меняется от 0 до номинального показателя, а электромагниты вращаются синхронным образом с магнитными полями статоров;
• с помощью вспомогательных движков — роторы возбужденных моторов приводят во вращение до определенной скорости и при помощи синхронизирующих устройств подключают к сети, затем двигатель отключается (но при этом невозможно пускать механизм, который под нагрузкой, потому что неправильно пользоваться пусковым агрегатом с большей мощностью);
• асинхронный — движок пускают асинхронным способом, а для этого он снабжается специализированной обмоткой для пуска, напоминающей беличью клетку (для увеличения сопротивления стержней клетка изготавливается из латуни).

Схемам пуска синхронного двигателя
К плюсам этой разновидности моторов можно отнести наличие меньшей чувствительности к колебаниям энергии, потому что их максимальные моменты пропорциональны величине энергии в первой степени. Независимо от того, какая будет механическая нагрузка на валу, постоянство частоты вращения строгое, КПД растет.

Отрицательные моменты:

• конструкция сложная;
• пуск в ход тоже усложненный;
• трудно регулировать частоту вращения, потому что можно лишь изменить частоту питающего напряжения.

Если учесть все минусы синхронных моторов, то они являются гораздо не такими выгодными, нежели асинхронные, когда мощностя ограниченные до 100 кВт. Но когда мощность гораздо выше, а габариты машины меньше, то первые предпочитают вторым.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Способы подключения трехфазных электромоторов к сети 220 вольт

Некоторые профессионалы используют при работе электроинструменты с разным предназначением (технические моменты). Иногда они приводятся в движение 3-х фазными моторами. Только трехфазные сети не всегда доступны в обычных гаражах и домах. Тогда можно воспользоваться схемой подключения 3-х фазного двигателя к однофазной сети.

Самыми распространенными и используемыми в станках являются 3-х фазные асинхронные механизмы переменного напряжения, у которых короткозамкнутый статор. Именно их и приходится подключать. Когда включается мотор в 3-х фазную сеть на 3 обматывающих слоя, то в разные промежутки времени будут протекать переменные токи. Они создают магнитное поле, которое вращается и вращает статор.

Как действовать во время подключения агрегатов к однофазным сетям

Когда подключают движок к однофазной сети, питание по обмотке течет, только вращающееся магнитное поле не образуется и ротор остается без движения. В качестве выхода можно параллельно подключить конденсатор к одной из обмоток механизма. Конденсаторы импульсным способом получают и отдают энергию, создают смещенные фазы и образуется магнитное поле, вращающееся и рабочее. Учитывая нахождение емкости под питанием, его можно назвать рабочим конденсатором. Как его правильно подобрать? Можно рассчитать необходимую емкость, разделив давление силы тока на питание. Но не в каждом случае на моторе есть целостная табличка, где указаны данные. Также не следует сбрасывать со счетов величину нагрузки на агрегат. Так что приходится воспользоваться упрощенным расчетом емкости рабочего конденсатора. Нужно учитывать, что на каждые сто Вт мощности понадобится семь микрофарад емкости. Если агрегат запущен и он работает, то весь принцип действия был верным.

Нужно запомнить, что не в каждом случае чем больше, тем лучше и когда превышается оптимальная емкость рабочего конденсатора механизма, то он перегреется. Это приведет к тому, что сгорит обматывающий слой и электродвигатель сломается. Лучше подобрать конденсатор, у которого рабочее питание не меньше, чем 450 вольт. Самое лучшее решение — это бумажная версия конденсатора. Существуют даже специальные моторные модели. Если движок запускается под нагрузкой и сложно, тогда понадобится еще один конденсатор для пуска. Его подключают параллельно рабочему на короткий промежуток времени при запуске электромеханизма.

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

• высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
• более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
• зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
• на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
• может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

• сложную конструкцию;
• более сложный пуск;
• необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
• такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;
• ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронные электродвигатели.

Плюсы и минусы

У синхронных движков очень сложная структура. Гораздо сложнее, нежели у асинхронных, только вместе с тем они имеют большим количеством достоинств. Главное положительное качество — это возможность поддержания оптимального режима энергии реактивного плана. Благодаря тому, что регулировка силы напряжения автоматическая, то мотор работает без использования и выделения реактивной энергии. В этом случае коэффициент мощности будет равняться единице.

Абсолютно не страшно, если случится перебой в сети, равняющийся максимальному моменту, но при этом критический момент равняется квадрату в электросети. Агрегаты способны выдерживать большие перегрузки даже тогда, когда увеличивается сила напряжения. Главное условие — непродолжительная нагрузка на валы. Скорость вращения остается постоянной. Трехфазные движки стоят дороже, нежели обычные асинхронные сложные механизмы, так как их устройство особое. Также к недостаткам можно отнести наличие постоянного источника энергии. В этом плане зачастую выступают выпрямители.