Устройство, конструктивные схемы и принцип действия синхронной машины. Конструктивные особенности синхронных машин

1.

Устройство, конструктивные схемы и принцип действия синхронной машины.
Конструктивные особенности синхронных машин.
Системы возбуждения синхронных машин.
Основные типы синхронных машин, применяемые на судах.

2.

Общие сведения
Синхронной называется электрическая машина переменного тока, скорость вращения которой и частота наводимой в ней
э. д. с. связаны между собой отношением
где f1—частота переменного тока, гц;
р — число пар полюсов в обмотке статора;
n1—скорость вращения поля статора, об/мин.
Синхронные машины обратимы, т. е. они могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.
Неподвижная часть машины называется статором, а вращающаяся — ротором.
Синхронные машины чаще всего изготовляются с неподвижной рабочей обмоткой, располагаемой на статоре, ивращающейся обмоткой возбуждения, располагаемой на роторе. Такая конструкция обеспечивает большую надежность
изоляции машины и упрощает соединение машины с внешней сетью. Обмотка возбуждения в данном случае соединяется
с источником постоянного тока посредством двух контактных колец и щеток. Чаще всего таким источником является
генератор постоянного тока, называемый возбудителем.
Генераторы малой мощности выполняются, как и машины постоянного тока, с неподвижными полюсами и
вращающейся рабочей обмоткой. Последняя соединяется с сетью при помощи трех контактных колец (по числу фаз) и
щеток.
Независимо от того, вращаются ли полюсы магнитной системы машины, а рабочая обмотка неподвижна или,
наоборот, вращается рабочая обмотка, а полюсы неподвижны, магнитный поток полюсов и в том и в другом случаях
пересекает проводники рабочей обмотки и по закону электромагнитной индукции наводит в них э. д. с. Частота Л
наведенной в обмотке э. д, с. определяется выражением и при данном числе пар полюсов р зависит исключительно от
скорости вращения n1. При замкнутой цепи статора по его обмотке проходит переменный ток, который создает
вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля равна скорости вращения ротора, т. е.

3.

Таким образом, оба магнитных поля (магнитное поле статора и поле ротора) вращаются с одинаковой скоростью,
т. е. синхронно, образуя результирующее поле со скоростью вращения n1.
Число полюсов синхронной машины определяется требуемой частотой переменного тока и заданной скоростью
вращения. В России стандартной является частота 50 Гц. Поэтому число пар полюсов в синхронных машинах,
рассчитанных на эту частоту,
На рис. 6.1,а представлена конструктивная схема синхронного генератора. Вращающаяся часть машины—
ротор—имеет обмотку возбуждения, которая через контактные кольца и щетки подключена к источнику постоянного
напряжения. На неподвижной части генератора — статоре—располагается трехфазная обмотка. Посредством первичного
двигателя ротор генератора приводится во вращение со скоростью n1 . При этом в каждой фазной обмотке статора
наводится э. д. с. (рис. 6.1, б).
Но так как фазные обмотки статора сдвинуты в
пространстве относительно друг друга на 120°,
то э. д. с. ЕA, ЕB и ЕC, наведенные в них
вращающимся полем ротора, сдвинуты по фазе
относительно друг друга также на 120° и
образуют трехфазную систему э. д. с. (рис. 6.1,
б).
Обмотки трех фаз обычно соединяют в
звезду. При этом фазное напряжение в
раза
меньше линейного напряжения сети, что важно в
отношении большей надежности изоляции
обмоток.

4.

На современных электрических станциях в качестве первичных двигателей в основном используются паровые и
гидравлические турбины. Скорость гидравлических турбин невелика и не превышает 500 об/мин. Поэтому генераторы
для гидроэлектростанций делаются многополюсными.
Так, например, скорость вращения гидрогенераторов Волжской ГЭС им. В. И. Ленина мощностью 105. тыс. кет
каждый составляет 68,2 об/мин, следовательно, генераторы имеют
В противоположность гидротурбинам паровые турбины выполняются на большую скорость вращения, поэтому
их генераторы имеют малое число полюсов, например при 3000 об/мин — всего одну пару полюсов.
На судовых электростанциях в качестве первичных двигателей используются двигатели внутреннего сгорания — дизели и
паровые турбины. Дизель-генераторы обеспечивают скорость вращения от 500 до 1500 об/мин.
Многополюсные синхронные машины (2р>2) выполняются с явновыраженными полюсами. Каждый полюс
такой машины имеет сердечник с полюсным наконечником и катушку возбуждения. Однако при скорости вращения
порядка 3000 об/мин применение явно-выраженных полюсов невозможно из-за больших центробежных сил,
действующих на выступающие полюса.
Роторы таких машин делают с неявновыраженными полюсами. Такой ротор представляет собой цилиндр, на
поверхности которого в пазах расположена обмотка возбуждения.

5.

Устройство синхронных машин
Статор синхронной машины состоит из литого чугунного или сварного стального корпуса с встроенным в него
сердечником, в пазы которого закладывается обмотка.
Сердечник статора является частью магнитной цепи, по которой замыкается магнитный поток полюсов. Для
уменьшения потерь от вихревых токов сердечник делается шихтованным из отдельных листов электротехнической стали,
изолированных друг от друга лаком. При изготовлении отдельных листов, из которых собирается сердечник, в них
штампуются пазы. Для охлаждения в сердечнике делаются вентиляционные каналы.
Охлаждение электрических, машин, в особенности мощных синхронных генераторов, имеет большое значение.
Достаточно указать, что при мощности генератора в 100 тыс. кет и к. п. д., равном 0,98, потери достигают 2000 кет.
Поэтому для охлаждения машин требуется усиленная вентиляция. В последние годы воздушное охлаждение мощных
синхронных генераторов заменяется водородным. При применении в качестве охлаждающего газа водорода прежде всего
снижается мощность, затрачиваемая на вентиляцию, так как плотность водорода значительно меньше плотности воздуха.
Теплопроводность водорода в 7,4 раза выше, чем у воздуха, что значительно улучшает условия охлаждения.
Обмотка статора выполняется в виде отдельных секций, которые затем укладываются в пазы сердечника статора.
Различают пазы открытые и полузакрытые. Полузакрытые пазы делаются у машин малой мощности низкого напряжения.
Перед укладкой в пазы секции обмоток изолируются. При полузакрытых
пазах секции закладываются в пазы по одному проводнику (насыпная
обмотка), а при открытых пазах активная сторона изолированной секции
закладывается в паз целиком. После укладки секций в пазы они
соединяются между собой по определенным электрическим схемам.
Ротор синхронной машины, как было указано, служит для создания
основного магнитного потока.

6.

По конструкции различают роторы с явновыраженными и
неявновыраженными полюсами.

7.

Ротор с явновыраженными полюсами(рис. 6.2) состоит из стального вала,
роторной звезды и полюсов возбуждения с полюсными катушками, которые крепятся на
ободе роторной звезды.
Как уже отмечалось, при больших скоростях вращения (3000 об/мин), исходя
из соображений механической прочности, ротор выполняется неявнополюсным
составным или из цельной стальной поковки с выфрезерованными на его поверхности
продольными пазами, в которые закладывается обмотка возбуждения.
Составной неявнополюсный ротор (рис. 6.3) состоит из центральной бочки и двух
хвостовин. Пазы для обмотки возбуждения выфрезеровываются на наружной
поверхности бочки. Пазы размещаются равномерно только на а/8 поверхности ротора,
остальную часть поверхности занимают центральные зубцы. Проводники обмотки
надежно закрепляются в пазах металлическими клиньями. Лобовые части обмотки
закрепляются бандажными кольцами, выполненными из особо прочной стали.
На валу ротора устанавливаются контактные кольца, к которым присоединяются выводы обмотки возбуждения.
Кольца надежно изолируются от вала. К ним. прилегают щетки, укрепленные в щеткодержателях. Через щетки и кольца
производится питание обмотки возбуждения.

8.

Возбуждение синхронных машин
В зависимости от способа создания основного магнитного потока синхронные
машины разделяются на машины с электромагнитным возбуждением и машины с
возбуждением от постоянных магнитов. Машины с электромагнитным возбуждением имеют
на роторе обмотку возбуждения. В зависимости от способа питания этой обмотки постоянным
током различают синхронные машины с независимым возбуждением и машины с
самовозбуждением. В машинах с независимым возбуждением обмотка ротора получает
питание от источника постоянного тока, возбудителя, в качестве которого применяется
генератор постоянного тока, приводимый во вращение общим с синхронным генератором
первичным двигателем.
В синхронных машинах с самовозбуждением обмотка возбуждения синхронного
генератора питается через выпрямитель (рис. 6.4). Первоначальное возбуждение этих
генераторов обеспечивается за счет остаточного магнетизма полюсов ротора.
В синхронных машинах с возбуждением постоянными магнитами нет обмотки
возбуждения, а полюсы ротора выполняются в виде постоянных магнитов. В этом случае
конструкция машины значительно упрощается. Однако серьезным их недостатком
является трудность регулирования напряжения.
В синхронных машинах большой мощности применяется независимое
возбуждение. Независимое возбуждение и возбуждение от постоянных магнитов
применяется в машинах средней и особенно малой мощности.

9.

10.

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного
генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного
двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n1. При этом магнитное поле ротора
также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.
Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из
статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе
возбуждения - наведения в ней магнитного поля.
Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность
которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке
постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.
До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы
постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 19.1, а), обмотка возбуждения
которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого под
возбудителем (ПВ).
Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя
располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в
обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца
и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные
реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r1) и подвозбудителя
(r2).

11.

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения
автоматизируют.
В синхронных генераторах большой мощности — турбогенераторах — иногда в качестве возбудителя применяют
генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый
выпрямитель.
Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения
индукторного генератора.
Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при
которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.
В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 19.1, 5), у которого обмотка
2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В
результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их
электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток.
Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку
возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря
возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на
валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения
синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током
обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) —
генератора постоянного тока.
Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной
машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

12.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 19.2), получил распространение принцип
самовозбуждения(рис. 19.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки
статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый
преобразователь (ПП) преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что
первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.
На рис. 19.2, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора
(СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия
переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения.
Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ,
на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ
(от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и
тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.
В современных синхронных двигателях
для возбуждения применяют тиристорные возбудительные
устройства, включаемые в сеть переменного тока и
осуществляющие
автоматическое
управление
током
возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в
том числе и переходных. Такой способ возбуждения
является наиболее надежным и экономичным, так как КПД
тиристорных возбудительных устройств выше, чем у
генераторов
постоянного
тока.
Промышленностью
выпускаются тиристорные возбудительные устройства на
различные напряжения возбуждения с допустимым
значением постоянного тока 320 А.