 |
Устройство и принцип действия синхронной машины
|
|
|
|
Устройство и принцип действия. Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная обмотка статора синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется также обмоткой якоря. Сердечник статора вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. 5.1 условно показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.
Рисунок 5.1. Схема синхронной машины
Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника. В качестве источника чаще всего служит генератор постоянного тока относительно небольшой мощности (0,3 - 3,0% от мощности синхронной машины), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с синхронной машиной или полупроводниковый выпрямитель. Назначение обмотки возбуждения - создание в машине первичного магнитного поля. Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения называется также индуктором. При изготовлении синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы распределение индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было по возможности близко к синусоидальному.
Рисунок 5.2. Конструкция синхронной машины с самовозбуждением
13. Возбудитель;
14. Обмотка возбуждения возбудителя;
15. Контактные кольца;
16. Щёткодержатели;
17. Подшипниковый шит;
18. Сердечник статора;
19. Полюсный наконечник;
20. Станина;
21. Обмотка статора;
22. Обмотка возбуждения;
23. Остов;
24. Вал;
25. Выводы;
26. Подшипник.
Рисунок 5.2. Явнополюсный ротор
1. Вал;
2. Контактные кольца;
3. Обмотка возбуждения;
4. Полюсный наконечник.
Если ротор синхронной машины (рис. 5.2) привести во вращение с некоторой скоростью n и возбудить его, то поток возбуждения Ф будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах последней будет индуктироваться Э. Д. С. с частотой:
|
|
|
(5.1)
где: p – число пар полюсов;
n – частота вращения [оборотов в минуту]
Э. Д. С. статора составляют симметричную трехфазную систему Э. Д. С., и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.
При нагрузке обмотка статора создает такое же по своему характеру вращающееся магнитное поле, как и обмотка статора асинхронной машины. Это поле статора вращается в направлении вращения ротора и с такой же скоростью.
Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора (индуктора) и называется в связи с этим также полем реакции якоря.
Синхронная машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.
Из формулы (5.1) следует, что чем больше число пар полюсов синхронной машины р, тем меньше должна быть ее скорость вращения n для получения заданной частоты f.
Рисунок 5.3. Неявнополюсный ротор в разрезе
По своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные (Рис. 5.2) и неявнополюсные (Рис. 5.3).
| б |
| a |
Рисунок 5.4 Конструкция явнополюсного ротора (а) и внешний вид
явнополюсного ротора машины большой мощности(б)
1. Полюс;
2. Встречные клинья хвостового крепления;
3. Изоляционная шайба;
4. Корпусная изоляция полюса
5. Голый проводник обмотки возбуждения;
6. Витковая изоляция проводников;
7. Стержень демпферной обмотки;
8. Сегмент демпферной обмотки;
9. Гибкое соединение между сегментами;
|
|
|
10. Стяжная шпилька;
11. Хвост полюса Т-образной формы;
12. Стальная шайба;
13. Межполюсная распорка;
14. Пружина.
Явнополюсные синхронные машины (Рис. 5.2) имеют выступающие полюсы и изготовляются с числом полюсов 2р ≥ 4.
Сердечники полюсов явнополюсных машин (рис. 5.4) набираются из листов стали толщиной 1 - 2 мм и стягиваются с помощью шпилек. В средних и крупных машинах полюсы крепятся к выступам вала, к втулке вала или к ободу крестовины с помощью Т-образных хвостов. В малых машинах полюсы крепятся также с помощью болтов. Обмотка возбуждения крупных машин наматывается из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки изолируются друг от друга изоляционными прокладками
. 
Рисунок 5.5 Пусковая обмотка
В полюсных наконечниках синхронных двигателей, в соответствующих пазах, помещаются стержни пусковой обмотки (1) из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.), которые привариваются по торцам к короткозамыкающнм сегментам, а последние соединяются в общие короткозамыкающие кольца (2). Такая обмотка напоминает беличью клетку короткозамкнутого асинхронного двигателя и служит для асинхронного пуска синхронного двигателя. Такие же по конструкции обмотки, но из медных стержней изготовляются нередко в синхронных генераторах и называются в этом
успокоительными или демпферными обмотками. В последнее время полюсы синхронных двигателей часто делают также массивными из стальных поковок, и в этом случае роль пусковой обмотки выполняют сами массивные полюсы.
Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом обычно имеют аксиально-радиальную вентиляцию.
Явнополюсные синхронные машины мощностью до 10 - 12 кВт имеют иногда также так называемую обращенную конструкцию, когда индуктор (полюсы) является неподвижным, а якорь вращается. Такие машины напоминают по устройству машины постоянного тока, у которых коллектор заменен тремя контактными кольцами для отвода тока из обмотки якоря. Для крупных машин обращенная конструкция невыгодна, так как отвод из обмотки якоря больших токов при высоком напряжении с помощью колец и щеток чрезвычайно затруднителен и сложно осуществить надежную, изоляцию вращающейся якорной обмотки высокого напряжения.
|
|
|
Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом широко используются в качестве двигателей и генераторов, в частности в качестве так называемых дизель-генераторов, соединяемых с дизельными двигателями внутреннего сгорания. Дизель-генераторы обычно имеют один подшипник, вал генератора жестко соединяется с валом дизеля, и в качестве второй опоры ротора генератора используется подшипник самого дизеля. Во избежание затруднений, которые могут возникнуть при работе дизель-генератора вследствие неравномерности вращающего момента дизеля как поршневой машины), дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом (моментом инерции). Аналогичную конструкцию имеют так же синхронные двигатели, предназначенные для привода поршневых компрессоров.
Рисунок 5.6. Гидрогенератор
Синхронные генераторы, сочленяемые с гидравлическими турбинами, работающими на гидроэлектростанциях, называются гидрогенераторами (Рис5.6). Они имеют явнополюсную конструкцию и при мощностях до нескольких тысяч киловатт чаще всего также выполняются с горизонтальным валом. В последние годы все большее применение начинают находить так называемые капсульные гидрогенераторы, также имеющие горизонтальный вал (Рис 5.7).
Рисунок 5.7. Капсульный гидрогенератор
Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку, или капсулу, которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Такая конструкция применяется для низконапорных гидростанций и позволяет отказаться от машинного зала и достичь большей компактности станции, что приводит к ее удешевлению. Капсульные гидрогенераторы изготовляются на мощности до нескольких десятков тысяч киловатт.
Вертикальные гидрогенераторы (Рис 5.6) представляют собой особый класс явнополюсных синхронных машин, которые имеют вертикальный вал и соединяются непосредственно с гидравлическими турбинами.
Гидравлические турбины в зависимости от напора воды и мощности имеют обычно относительно малую скорость вращения. Скорость вращения тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и массу, а также большое число полюсов. В СССР изготавливались гидрогенераторы мощности до 500 МВт.
|
|
|
|
|
|
