Теория рабочего процесса явнополюсной синхронной машины
Синхронные машины. Принцип работы. Явнополюсные и неявнополюсные машины.
Синхронные машины это такие машины переменного тока, в которых частота движения ротора равно частоте тока в статоре. А, следовательно, определяется частотой питающей сети. Для производства электричество чаще всего используют синхронные генераторы. А синхронные двигатели отличаются тем, что у них скорость вращения постоянна и не зависит от нагрузки.
Все синхронные машины в принципе имеют одинаковую конструкцию. Они состоят из неподвижной части, которую называют статором. Он представляет собой корпус внутри, которого закреплён сердечник. Сердечник имеет цилиндрическую форму и набирается из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. В сердечнике с внутренней стороны имеются пазы, в которые уложена обмотка статора. Сердечник вместе с обмоткой называется якорем.
Внутри статора находится ротор, представляющий собой цилиндрической формы сердечник из сплошной стали который находится на валу. На сердечнике ротора намотана обмотка возбуждения, которая запитывается постоянным током потому нет необходимости делать сердечник ротора из шихтованной стали. Так как магнитный поток ротора постоянный.
Ток к ротору подводится через скользящие контакты в виде колец находящихся на валу, к которым прижаты графитовые щетки. Кольца изолированы друг от друга и от вала. А к ним подключены концы обмотки возбуждения. Сердечник ротора с обмоткой возбуждения называются индуктором.
Обмотка возбуждения размещается на роторе, так как ток возбуждения имеет малую величину по сравнению с током якоря. Иногда синхронные машины выполняют и наоборот. Это когда индуктор находится на статоре, а якорь на роторе. Ток возбуждения подводится к статору, а якорный ток, например для двигателя подводится к ротору.
Все синхронные машины можно разделить на два вида. Первый из них это синхронные машины, у которых ротор выполнен с неявно выряженными полюсами. Неявно выраженные полюса это когда обмотка ротора равномерно уложена в пазы сердечника. Не имея при этом явно выраженных полюсов. Это, как правило, высоко оборотистые машины. Так как на высокой скорости вращения ротор с явно выраженными полюсами будет испытывать высокие динамические нагрузки.
Синхронные машины с явно выряженными полюсами применяют на низких частотах вращения. Это, как правило, гидрогенераторы. Поскольку ротор вращается под напором столба воды, а создать на реке большой перепад воды достаточно сложно.
На роторе явно полюсной машины отчетливо выделяются магнитные полюса, на которые укладывается обмотка возбуждения.
Рассмотрим принцип действия синхронной машины на примере генератора переменного тока. К индуктору генератора подводится постоянный ток от внешнего источника тока. Этот ток создает основной магнитный поток, который пронизывает обмотки якоря. Обмотки якоря имеют одинаковое число витков и уложены друг относительно друга со смещением в 120 градусов.
При вращении ротора в обмотках статора наводится эдс вследствие электромагнитной индукции. Чтобы ток в обмотках якоря изменялся по синусоидальному закону, в явно полюсных машинах применяют полюсные наконечники особой формы. То есть воздушный зазор между полюсным наконечником и якорем не однородный, а изменяется с движением от середины к краю. Таким образом, магнитное поле в зазоре будет изменяться по закону близкому к синусоидальному.
В неявнополюсных машинах для получения формы тока близкой к синусоидальной используют неоднородное распределение обмотки возбуждения в пазах индуктора.
Когда синхронная машина работает в режиме электродвигателя, трех фазное напряжение подается на якорь. При этом обмотка индуктора замыкается накоротко, что обеспечивает асинхронный режим пуска синхронной машины. После разгона на индуктор подается постоянный ток, и машина входит в синхронизм.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Практически все синхронные машины имеют одинаковое конструктивное исполнение. Одной из их важнейших характеристик является полюсность. Она определяется конструктивными параметрами устройства.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Чтобы понять, как устроены явнополюсная и неявнополюсная синхронные машины необходимо знать из чего состоит их конструкция. Она включает в себя неподвижный элемент – статор, представлящий собой корпус, внутри которого размещен цилиндрический сердечник с тонкими пластинами, а также пазами, предназначенными для укладки обмотки статора. Сердечник с обмоткой называют якорем. В середине статора расположен ротор и именно он определяет тип машины: явнополюсный или неявнополюсный. На изображении визуально видны их отличия:
Явнополюсной ротор синхронной машины и неявнополюсный
Уже понятно, какая синхронная машина называется явнополюсной и как она выглядит. Теперь необходимо понять, где применяются явнополюсные роторы в синхронных машинах. Они применяются на низких частотах вращения, например, в гидрогенераторах. Как правило, их используют в агрегатах с 4 полюсами и более. Обмотку возбуждения в таком исполнении создают в виде цилиндрических катушек, которые устанавливают на сердечниках полюсов и фиксируют с помощью полюсных наконечников. Машины с таким исполнением ротора широко используются в качестве дизель-генераторов.
Что касается представителей неявнополюсных машин, то самыми популярными являются турбогенераторами, которые, как правило, используются для соединения с паровыми турбинами.
Устройство, конструкция и разновидности синхронных машин
Устройство[править | править код]
Синхронный главный генератор тепловоза
: 1 — щётка, 2 — контактное кольцо, 3 — вал ротора, 4 — полюс ротора, 5 — статор
Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.
Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря
. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.
Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока[1] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб
). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.
Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали.
Синхронные машины. Принцип работы. Явнополюсные и неявнополюсные машины.
Все синхронные машины в принципе имеют одинаковую конструкцию. Они состоят из неподвижной части, которую называют статором. Он представляет собой корпус внутри, которого закреплён сердечник. Сердечник имеет цилиндрическую форму и набирается из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. В сердечнике с внутренней стороны имеются пазы, в которые уложена обмотка статора. Сердечник вместе с обмоткой называется якорем.
Рисунок 1 — неподвижный якорь синхронной машины
Внутри статора находится ротор, представляющий собой цилиндрической формы сердечник из сплошной стали который находится на валу. На сердечнике ротора намотана обмотка возбуждения, которая запитывается постоянным током потому нет необходимости делать сердечник ротора из шихтованной стали. Так как магнитный поток ротора постоянный.
Рисунок 2 — ротор синхронной машины
Ток к ротору подводится через скользящие контакты в виде колец находящихся на валу, к которым прижаты графитовые щетки. Кольца изолированы друг от друга и от вала. А к ним подключены концы обмотки возбуждения. Сердечник ротора с обмоткой возбуждения называются индуктором.
Обмотка возбуждения размещается на роторе, так как ток возбуждения имеет малую величину по сравнению с током якоря. Иногда синхронные машины выполняют и наоборот. Это когда индуктор находится на статоре, а якорь на роторе. Ток возбуждения подводится к статору, а якорный ток, например для двигателя подводится к ротору.
Все синхронные машины можно разделить на два вида. Первый из них это синхронные машины, у которых ротор выполнен с неявно выряженными полюсами. Неявно выраженные полюса это когда обмотка ротора равномерно уложена в пазы сердечника. Не имея при этом явно выраженных полюсов. Это, как правило, высоко оборотистые машины. Так как на высокой скорости вращения ротор с явно выраженными полюсами будет испытывать высокие динамические нагрузки.
Рисунок 3 — Ротор неявнополюсной машины
Синхронные машины с явно выряженными полюсами применяют на низких частотах вращения. Это, как правило, гидрогенераторы. Поскольку ротор вращается под напором столба воды, а создать на реке большой перепад воды достаточно сложно.
На роторе явно полюсной машины отчетливо выделяются магнитные полюса, на которые укладывается обмотка возбуждения.
Рисунок 4 — Ротор явнополюсной машины
Рассмотрим принцип действия синхронной машины на примере генератора переменного тока. К индуктору генератора подводится постоянный ток от внешнего источника тока. Этот ток создает основной магнитный поток, который пронизывает обмотки якоря. Обмотки якоря имеют одинаковое число витков и уложены друг относительно друга со смещением в 120 градусов.
При вращении ротора в обмотках статора наводится эдс вследствие электромагнитной индукции. Чтобы ток в обмотках якоря изменялся по синусоидальному закону, в явно полюсных машинах применяют полюсные наконечники особой формы. То есть воздушный зазор между полюсным наконечником и якорем не однородный, а изменяется с движением от середины к краю. Таким образом, магнитное поле в зазоре будет изменяться по закону близкому к синусоидальному.
Рисунок 5 — распределение поля в полюсном наконечнике явно полюсной машины
В неявнополюсных машинах для получения формы тока близкой к синусоидальной используют неоднородное распределение обмотки возбуждения в пазах индуктора.
Рисунок 6 — распределение поля в неявнополюсном индукторе
Когда синхронная машина работает в режиме электродвигателя, трех фазное напряжение подается на якорь. При этом обмотка индуктора замыкается накоротко, что обеспечивает асинхронный режим пуска синхронной машины. После разгона на индуктор подается постоянный ток, и машина входит в синхронизм.
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:
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
Виды синхронных двигателей
В основном все отличия в конструктивном исполнении такого устройства – это модификации вращающейся детали. Ротор синхронной машины может быть с явно выраженными полюсами (т.н. «явнополюсный»), и с неявно выраженными полюсами (т.н.«неявнополюсный»).
Примечания[править | править код]
Принцип работы СГ
Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:
В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.
Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.
Принцип работы агрегата
Работа синхронного генератора осуществляется по принципу электромагнитной индукции.
Во время холостого движения якорная (статорная) катушка разомкнута, поэтому магнитное поле агрегата формируется одной обмоткой ротора. Когда ротор крутится от проводного мотора, у него присутствует постоянная частота, роторное магнитное поле перемещается через проводники обмоток фаз статора и осуществляет наводку повторяющихся переменных токов – электродвижущую силу (ЭДС).
ЭДС носит синусоидальный, несинусоидальный либо пульсирующий характер.
Обмотка возбуждения предназначается для создания в генераторе первоначального магнитного поля, чтобы навести в катушку якоря электрическую движущую силу. В случае если якорь синхронного генератора приводят в движение путем вращения с определенной скоростью, затем возбуждают источником постоянных токов, то поток возбуждения переходит через проводники катушек статора, и в фазах катушки индуцируются переменные ЭДС.
Принцип работы
На основании п.53 ГОСТ 27471-87 понятие синхронного двигателя подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. У которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальной работе.
С практической стороны это выглядит следующим образом:
В результате такого взаимодействия возникает поступательное вращение вала синхронного двигателя вокруг своей оси. Так как в индукторе постоянно присутствуют сформированные независимым источником силовые линии, частота его вращения полностью соответствует частоте напряжения, подаваемого в обмотки якоря. Возникает синхронизм в двигателе.
Трехфазное устройство
Трехфазный синхронный генератор – устройство, имеющее трехфазную структуру переменного тока, которая имеет огромное практическое распространение. Крутящийся электромагнит способен образовывать магнитный поток (переменный), который перемещается через три фазы обмотки имеющегося статора.
Результатом этого является то, что в фазах происходит переменная ЭДС однотипной частоты, сдвиг фаз осуществляется под углом, равным одной третьей периода вращения магнитных полей.
Трехфазный синхронный генератор оборудован так, что на его валу якорь является электромагнитом и питается от генератора. Когда вал вращается, к примеру, от турбины, генератор поставляет электроток, в то время как обмотка ротора питается поставляемым током. От этого якорь становится электрическим магнитом и, осуществляя обороты с тем же валом, доставляет вращающееся электромагнитное поле.
Благодаря синхронным трехфазным гидро- и турбогенераторам производится большая часть электроэнергии.
Синхронные агрегаты применяются и в качестве электромоторов в таких устройствах, у которых мощность превышает 50 кВт. Во время работы синхронного агрегата в графике двигателя сам ротор соединяют с источником постоянных токов, статор же подключают к трехфазному кабелю.
Типы синхронных двигателей
В целом синхронные двигатели подразделяются на несколько категорий, в зависимости от их конструктивных особенностей.
Так, для получения потока возбуждения используют:
В зависимости от конструкции ротора, выделяют явнополюсный и неявнополюсный синхронный двигатель.
По режиму работы могут использоваться в качестве электродвигателя, генератора или синхронного компенсатора.
Устройство
В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие детали – вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора располагаются постоянные магниты либо обмотки возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, с противоположно направленными полюсами.
Бесщёточные генераторы.
Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, или с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита, обычно, не превышает 6. При такой конструкции вырабатываемый ток снимается непосредственно с обмоток статоров. Другими словами, статор выступает в роли якоря.
В принципе, постоянные магниты можно расположить на статоре, а рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС, — на роторе. Работоспособность генератора от этого не изменится, однако потребуются кольца и щётки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это, чаще всего, не рационально.
Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения изображено на рис. 1.
Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором
Пояснение:
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.
Область применения
Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах).
Синхронный агрегат способен работать автономно – генератором, который питает подключаемую к ней какую-либо нагрузку, либо параллельно с сетью — в нее подключены иные генераторы.
Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.
Режимы работы
На практике, каждая электрическая машина может применяться в различных режимах работы:
Харктеристики явнополюного и неявнополюсного синхронного генератора
Характеристики строят в именованных единицах, как показано на рис. 3.3,а
. Номинальный угол нагрузки θном определяется графически по характеристике, снятой при
I
в=
I
ном, причем
Р
1ном=
S
номcosφном (номинальные мощность и коэффициент мощности берутся из паспорта машины).
Рис. 3.3. Угловые характеристики явнополюсного синхронного генератора: а –экспериментальные, б – расчетные.
Для определения перегрузочной способности генератора следует провести дополнительные построения основанных на теории синхронных машин. Угловая характеристика трехфазного явнополюсного синхронного генератора с электромагнитным возбуждением описывается уравнением
1— электромагнитная мощность, Вт;
U
1— фазное напряжение, В;
E
10— фазная ЭДС холостого хода, соответствующая току возбуждения, при котором снималась характеристика, В;
хd, хq
— синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям, Ом.
Уравнение переписать в виде
1— амплитудное значение электромагнитной мощности, обусловленной потоком возбуждения;
Рт
— амплитудное значение электромагнитной мощности, обусловленной магнитной асимметрией ротора.
Рт
определяется из снятой при нулевом токе возбуждения угловой характеристики как
(Для получения более достоверных результатов значения мощности Р
1и соответствующего ей угла θ следует брать для точек с наибольшей мощностью.)
Угловая характеристика невозбужденного генератора (рис. 3.3,б
) достраивается до угла θ=90° по выражению
Затем графическим путем производят вычитание из угловой характеристики возбужденного генератора (I
в=
I
ном) угловой характеристики невозбужденного генератора (
I
в=0) в диапазоне углов нагрузки, полученных экспериментальным путем. Полученная таким образом угловая характеристика, должна описываться уравнением
Устройство синхронных машин
Синхронной называется машина переменного тока, ротор которой вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора. Частота вращения синхронной машины в установившемся режиме не зависит от ее нагрузки и определяется частотой тока сети ƒ числом пар полюсов р машины: n = 60ƒ/р. Синхронные машины выпускаются с двумя типами роторов: явнополюсными и неявнополюсными.
Рис. 84. Синхронная машина:
1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — полюс ротора; 4 — контактные кольца; 5 — подшипниковый щит; 6 — подшипник (корпус); 7 — вал; 8 — станина.
В станину синхронной машины с явнополюсным ротором запрессован сердечник 1 статора, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2 (рис. 84). В расточке сердечника статора размещен ротор. На валу явнополюсного ротора укреплены полюса 3 с обмотками возбуждения. Питание к обмоткам возбуждения подводится с помощью щеток и колец 4, изолированных от вала и друг от друга. Вал 7 опирается на подшипники 6, расположенные в подшипниковых щитах 5.
Явнополюсные роторы применяют при сравнительно невысоких частотах вращения синхронных машин (до 1500 об/мин) (рис. 85, а). Станина 13 имеет цилиндрическую форму и изготовляется литьем из серого чугуна, силумина. Внутри станина имеет продольные ребра 14, между которыми запрессован с помощью нажимных колец 10, пальцев 11 и шпилек 15 сердечник статора 12.
Сердечник статора изготовляют шихтовкой листов, штампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Внешняя окружность листов имеет выступы или впадины для фиксации их в ребрах станины при сборке. По внутренней окружности заготовок сердечников равномерно предусмотрены пазы, в которых располагают активные проводники обмотки 9 статора. При сборке сердечника между пакетами 12 прокладывают листы с приваренными дистанционными прокладками, образующими вентиляционные каналы.
Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов 5 и ярма 2, укрепленных на корпусе 16 (рис. 85, а). Полюса набирают из листов стали толщиной 1 — 1,5 мм и прессуют между литыми или кованными нажимными щеками 4 с помощью шпилек 15.
Ярма роторов машин малой и средней мощности выполняют массивными. В этом случае полюсы крепят к ярму радиальными болтами. В машинах большой мощности ярма выполняют шихтованными из штампованных листов стали СтЗ толщиной до 6 мм. Из листов образуют пакеты 2, разделенные каналами 3, и прессуют их стяжными шпильками. Полюсы соединяют с ярмом креплением Т-образных хвостовиков 18 в пазах ярма клиньями 17. На каждом полюсе установлена катушка 6 обмотки возбуждения. Выводы 1 от обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами (не показаны).
В круглых пазах на поверхности полюсов уложены стержни 8 проводников успокоительной (демпферной) обмотки ротора, замкнутые на торцах накоротко кольцами 7.
Неявнополюсный ротор представляет собой цельную массивную цилиндрическую поковку, в которой сердечник ротора совмещен с валом (рис. 85, б). Для изготовления ротора (если его диаметр не превышает 800 мм) применяют углеродистую сталь. При больших размерах для повышения механической прочности конструкции используют специальную легированную сталь.
Неявнополюсный ротор (рис. 85, б) подвергается обработке, в процессе которой высверливается осевой канал 27, который необходим для контроля качества поковки и уменьшения внутренних напряжений в металле. Наружная поверхность бочки 25 имеет винтовую канавку глубиной и шириной около 5 мм для улучшения условий охлаждения. По образующим активной части профрезерованы пазы 19 и осевой охладительный канал 21 в большом зубе 26, свободном от обмотки. Пазы 19 с обмоткой 6 и аксиальные каналы забиты клиньями 20, которые держат обмотки. Выводы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами 24. Лобовые части обмотки укреплены бандажами 22 из высокопрочной немагнитной стали. Бандажи охватывают центрирующие кольца 23, которые выполняют упругими.