ЛЕКЦИЯ 3.1

1.

Синхронные
машины
Цикл лекций в курсе «Электрические
машины»

2.

Содержание
1. Определение синхронной машины, применение.
2. Конструкция синхронной машины.
3. Принцип действия.
4. Возбуждение синхронной машины.
5. Способы пуска в ход синхронных двигателей.
6. Охлаждение синхронных машин

3.

1. Устройство и принцип действия
• Синхронной машиной называется
двухобмоточная электрическая машина
переменного тока, одна из обмоток
которой возбуждается с частотой ω1, а
вторая - постоянным током.
• Синхронная машина (СМ) – это машина
переменного тока, у которой магнитное
поле и ротор имеют одинаковую частоту
вращения (n0=60f/p)

4.

Дизель-генератор
1 - возбудителя, 2 - обмотки возбуждения возбудителя, 3 - контактных колец, 4 щеткодержателей, 5 - подшипниковых щитов, 6 - сердечника статора, 7 - полюсного
наконечника, 8 - станины, 9 - обмотки статора, 10 - обмотки возбуждения полюсов
ротора, 11 – остова, 12 - вала, 13 - выводов, 14 -подшипника

5.

Гидрогенератор
1 - грузонесущей крестовины, 2 - корпуса статора, 3 - сердечника
статора, 4 - обмотки статора, 5 - полюса ротора, 6 - обмотки
ротора, 7 - спицы ротора, 8 - обода ротора.

6.

В зависимости от формы магнитной системы ротора синхронные машины бывают
явнополюсными и неявнополюсными.
Статор СМ аналогичен статору АД и служит для создания вращающегося магнитного поля
~U (380В)
n0=60f/pпар
n0

7.

Явнополюсный и неявнополюсный роторы СМ
1 – полюс ротора; 2 – полюсный наконечник; 3 – обмотка возбуждения;
Явнополюсный – полюса
ротора располагаются отдельно
Неявнополюсный – полюса ротора
сформированы обмоткой
распределенной в пазах
цилиндрического ротора

8.

2. Конструкция
Электрическая схема синхронной машины
B
A
C
3
Iв
1
5
n
Iя
+
–
2
4
6
Г
П
Н
1 – трехфазная обмотка якоря (статора);
2 – обмотка возбуждения;
3 – контактные кольца;
4 – щетки;
5 – вал ротора;
6 – генератор постоянного напряжения.
Мощность системы возбуждения составляет
1–3% от мощности якоря.

9.

Схема машины с «бесщеточным» возбуждением
C
A
B
51
4 +
–
N
1
3
2
S
1 - неподвижные постоянные магниты маломощного СГ;
2 - трехфазная обмотка маломощного СГ;
3 – трехфазный выпрямитель;
4 – обмотка возбуждения основной синхронной машины.
5 – обмотка статора (якоря) основной СМ.
Отсутствие скользящего контакта щетки – кольца повышает надежность системы
возбуждения.

10.

Возбудитель ( генератор постоянного тока) может
быть прикреплен к фланцу на торце
подшипникового щита и иметь общий вал с
генератором или установлен на общей
фундаментной плите и соединен с машиной
эластичной муфтой.
В настоящее время широко применяются
полупроводниковые выпрямители для
выпрямления переменного тока,
вырабатываемого самим генератором.
Постоянный ток с выпрямителя поступает в
обмотки возбуждения через контактные кольца.

11.

Станина 8 и щиты генераторов 5 — литые чугунные,
некоторые генераторы имеют станину сварную
неразъемную из листовой стали. Сердечник
статора 6 набирается из листов
электротехнической стали толщиной 0,5 мм,
которые запрессовывают в расточку станины и
закрепляют в ней стопорной шпилькой или
нажимными кольцами.
Ротор генератора состоит из цельнокованого вала
12, остова и полюсов 10. Катушки обмотки
возбуждения удерживаются на полюсах
полюсными наконечниками .

12.

Контактные кольца 3 из меди насажены на
изолированную миканитом стальную втулку и
расположены внутри подшипникового щита.
На контактных кольцах расположены щетки,
закрепленные в щеткодержателях 4.
Обмотка статора соединяется с внешней сетью
выводами1
Синхронные двигатели предназначены для привода
механизмов, не требующих регулирования частоты
вращения (вентиляторов, насосов, мельниц и т. д.).
Они в подавляющем числе случаев имеют
горизонтальное расположение вала и явнополюсный
ротор.

13.

3. Принцип работы синхронного генератора
От приводного двигателя
Мвр
Ротор генератора приводится во вращение с постоянной частотой n от приводного двигателя, в
качестве которого может выступать паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания
или электрический двигатель. Если в обмотку ротора подается ток возбуждения, то вместе с
ротором вращается магнитное поле возбуждения, которое согласно закону электромагнитной
индукции наводит в неподвижной трехфазной обмотке якоря (статора) трехфазную
синусоидальную систему ЭДС с действующим значением E0:
E0 4,44 K об f w mв
где Kоб – обмоточный коэффициент якоря;
f = pn/60 – частота синусоидальных ЭДС якоря;
w – число витков одной фазы обмотки якоря;
Фmв – амплитуда потока возбуждения.
Действующее значение каждой фазной ЭДС – ЕА, ЕВ, ЕС равны по значению и отстают друг от
друга на угол 120°.

14.

4.
Возбуждение синхронных генераторов.
Основные сведения
Синхронные генераторы выполняют с независимым
возбуждением и с самовозбуждением.
При независимом или постороннем возбуждении для
питания обмотки возбуждения генератора необходим
источник энергии постоянного либо переменного тока с
выпрямительным устройством.
Источник постоянного тока, непосредственно питающий
обмотку возбуждения генератора, называется
возбудителем.

15.

Генераторы с собственным возбуждением, не
требуют постороннего источника энергии для
возбуждения магнитного потока.
Для этих машин используется остаточный
магнетизм для самовозбуждения.
В качестве возбудителя используется либо генератор
постоянного тока или полупроводниковые
выпрямители.
Совокупность возбудителя, вспомогательных машин
и регулирующих устройств составляет систему
возбуждения.

16.

Генераторы с независимым возбуждением
Системы независимого возбуждения нашли
широкое применение. Основная их ценность
состоит в том. что возбуждение синхронной
машины не зависит от режима электрической
сети, в которой работает машина.
В схеме независимого возбуждения обмотка
возбуждении 2 синхронного генератора 1
питается от генератора постоянного тока 3.

17.

Рис.1. Схема независимого возбуждения с
электромашинным возбудителем, представляющим собой
генератор постоянного тока

18.

Рис. 2 Схема независимого возбуждения, в которой в
качестве возбудителя полупроводниковый
преобразователь .

19.

На рис. 2 представлена принципиальная схема
независимого возбуждения, в которой в качестве
возбудителя используется ионный или
полупроводниковый преобразователь 4,
получающий питание от вспомогательного
синхронного генератора 5, установленного на
валу основного синхронного генератора 1.
В маломощных синхронных генераторах
выпрямитель может питаться непосредственно от
фазы основного синхронного генератора.

20.

4. Возбуждение синхронной машины.
n0
N
N
Nm F
П
F
N S
S
П
Fm
SFm
S N
n0
NF
N
S
Ft
N
S
N
Ft
N
S
SS
S
SS
N
N
а)
б)
в
Рис. 17.10. Упрощенная модель синхронного двигателя (а),
возникновение электромагнитного момента на роторе (б), (в)
На модели представлены две разделенные воздушным зазором магнитные системы.
Внешняя система имитирует вращающееся магнитное поле статора. Будем полагать,
что эта система может вращаться относительно своего центра. Внутренняя система
модели имитирует ротор и его магнитное поле.

21.

Предположим, что внешняя система полюсов (магнитное поле статора) неподвижна.
Благодаря силам магнитного притяжения ротор расположится так, что его полюсы
будут находиться под противоположными полюсами внешней системы (а).
При таком расположении силы магнитного притяжения Fm направлены по
оси полюсов и не создают электромагнитного момента.
Пусть внешняя система полюсов начала вращение с частотой n0. В начальный
момент эта система сместится относительно ротора на некоторый угол θ (б).
Тогда вектор силы магнитного притяжения Fm также повернется относительно оси
полюса ротора. Теперь Fm = FП + Ft. Сила Fп – сила притяжения индуктора.
Сила Ft называется тангенциальной. Она направлена перпендикулярно оси полюса.
Совокупность составляющих Ft, действующих на все полюсы ротора, создает
вращающий момент М. Под действием момента М ротор приходит в движение и в
дальнейшем вращается синхронно с внешней системой, с частотой nо (в).
Обязательным условием возникновения вращающего момента в синхронном
двигателе является отставание магнитного поля ротора от вращающегося
магнитного поля статора на угол θ.

22.

5. Режимы работы синхронных генераторов
(синхронных компенсаторов)
Пусковые режимы
1. Начальный разворот ротора
2. Синхронизация
3. Набор нагрузки
4. Особенности пуска СМ различного назначения
Рабочие режимы
1. Номинальный режим
2. Нормальный режим
3. Допустимые перегрузки
4. Асинхронный режим
5. Двигательный режим
6. Несимметричная нагрузка
7. Несинусоидальная нагрузка

23.

Сложность пуска синхронных машин
в двигательном режиме
• При подаче трехфазного переменного тока
в обмотку статора возбужденного СД с
покоящимся ротором, не возникает
разгоняющего момента сил.

24.

Синхронный двигатель.
Вращающееся магнитное поле статора
А
В
С
В
В
А
С
24

25.

Синхронный двигатель.
Действие сил Ампера на обмотку ротора
А
В
С
В
FA
В
А
С
25

26.

Синхронный двигатель.
Вращение ротора
А
В
С
В
А
С
26

27.

5. Асинхронный пуск СД
Запуск СД невозможен прямым включением в сеть
из-за инерционности ротора
~U (380В)
2. После подключения статора
к сети ~U СД начинает
разгоняться подобно АД с
короткозамкнутым ротором
Для запуска СД ротору необходимо сообщить
скорость, близкую к скорости вращения поля, в
результате чего двигателя втянется в синхронизм и
ротор будет вращаться с синхронной скоростью n0
1. Перед пуском переключатель SA
находится в положении, при котором
ОВ замыкается на ограничительный
резистор R
SA
R
3. После достижения предсинхронной скорости
переключателем SA подключают обмотку ротора
(ОВ) к сети постоянного тока Uв, в результате чего
СД втягивается в синхронизм
+
-
Uв

28.

Асинхронный двигатель.
Вращение ротора
А
В
С
В
А
С
28

29.

Способы начального разгона ротора
синхронной машины
• Механический пуск от АЭД с ФР
• Асинхронный пуск
• Частотный пуск от СПЧР
• Частотный пуск от соседней СМ
• Комбинированный пуск (асинхронный +
частотный)

30.

Начальный
разворот ротора
А. Механический
А1. От турбины
А2. От
вспомогательного
электродвигателя
Б. Электрический
Б1. Асинхронный
Б2. Частотный
Б2.1. От
статического ПЧ
Б3.
Комбинированный
Б2.2. От
динамического ПЧ

31.

6. По способу охлаждения электрические
машины подразделяются на:
1.
2.
3.
машины с естественным охлаждением, не имеющие
специальных устройств для охлаждения.
машины с самовентиляцией, на валу которых помещают
вентилятор, всасывающий или нагнетающий в машину при
вращении ротора воздух и прогоняющий его через
внутреннюю полость машины.
машины с посторонним охлаждением, в которых
охлаждающий воздух (или водород) прогоняется по
трубам вентилятором.

32.

В зависимости от того, в каком направлении движется
охлаждающий воздух по телу ротора, различают две
основные системы вентиляции:
– радиальную
– осевую.
При радиальной вентиляции охлаждающая среда
перемещается в радиальном направлении от вала к
периферии ротора через промежутки между пакетами
стальных листов, образующих сердечник ротора.
При осевой вентиляции в сердечнике ротора устраивают
осевые каналы, сквозь которые прогоняется воздух
параллельно валу машины.