Синхронные машины. Устройство и принцип действия

В отличие от асинхронной машины частота вращения ротора синхронной машины находится в строго фиксированном соответствии с частотой сети и совпадает с частотой вращения поля. Наибольшее распространение синхронные машины получили в качестве генераторов и в качестве мощных электродвигателей. Применяются также синхронные микродвигатели. Особой областью применения синхронных машин является использование их в качестве генераторов реактивной мощности с целью улучшения промышленных предприятий; в этом применении машины называются синхронными компенсаторами.

Синхронная машина состоит из двух основных частей: полюсной системы, или индуктора, и якоря. Полюсная система может быть явнополюсной, когда на полюса надевают обмотки возбуждения, и неявнополюсной, когда обмотку возбуждения укладывают в пазах, выфрезерованных в монолитном стальном цилиндре. Обмотка возбуждения питается постоянным током от отдельного генератора, называемого возбудителем и находящемся обычно на одном валу с синхронной машиной. Возможно также возбуждение от выпрямительной установки, а в малых машинах – от постоянных магнитов. Обмотка якоря является трехфазной и практически ничем не отличается от обмотки статора асинхронной машины. Обычно якорь бывает неподвижным (статор), а полюсная система вращается (ротор). К обмотке вращающегося ротора энергия подводится через щетки и контактные кольца. На рисунке 11 представлена конструктивная схема такой синхронной машины, где обозначено: − статор; − обмотка статора; − явнополюсный ротор; − обмотка ротора; − вал; − магнитный поток. Возможен вариант, когда якорь вращается, а полюсная система неподвижна.

При вращении полюсной системы механическим двигателем (паровая или гидравлическая турбина, дизель) в обмотке якоря индуктируется трехфазная система ЭДС, поскольку оси обмоток якоря смещены в пространстве на угол 120° относительно друг друга. При частоте вращения ротора частота индуктированных ЭДС определяется соотношением . Когда включена нагрузка такого генератора, то трехфазная система токов образует вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется согласно выражению:

.

Равенство отражает сущность синхронной машины: ротор вращается синхронно с полем.

В режиме двигателя работа машины заключается в следующем: токи источника образуют в обмотке якоря (статора) вращающееся магнитное поле, а полюсная система (ротор) следует за этим полем с той же скоростью. Можно представить себе такую механическую аналогию: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами упругими нитями (линиями магнитного натяжения), которые с возрастанием нагрузки могут в определенных границах растягиваться, но не могут оборваться. Обрыв этих линий означает выпадение машины из синхронизма − это аварийный режим.

Синхронные двигатели не могут приходить во вращение, если не принять специальных мер. Дело в том, что при включении двигателя в сеть, полюсы вращающегося поля с большой скоростью пробегают мимо неподвижных полюсов ротора. Таким образом, относительно каждого полюсы ротора образуют знакопеременные поля и в силу инерции механических масс, ротор не тронется с места.

Обычным в настоящее время является так называемый асинхронный пуск синхронных двигателей. В пазах полюсных наконечников ротора размещают стержни, замкнутые накоротко на торцах: у каждого полюса образуется, таким образом, часть «беличьей клетки». Полюсная система разгоняется как короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя, и когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля, происходит «втягивание ротора в синхронизм». С этого момента двигатель работает как синхронный, «беличья клетка» не перемещается относительно поля и, следовательно, теперь никакой роли не играет.