Принцип действия синхронных машин

Статор 1 синхронной машины (рис.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения (ОВ), так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.

Рис.1 Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б):

1-статор, 2-ротор, 3-обмотка якоря, 4- обмотка возбуждения, 5-контактные кольца, 6-щетки

Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щёток 6. При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э.д.с. Е (рис.1,6), изменяющуюся с частотой

f₁=

где: p- число полюсов; n₂- частота вращения ротора

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток I_а создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁=

Из этих формул следует, что n₁=n₂, т. е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием м.д.с. (магнитодвижущая сила) обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э.д.с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть ма­шины, на которой расположена якорная обмотка - якорем. Часть машины на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рис. 1, статор является якорем, а ротор— индуктором.

Рис. №2.Синхронная машина.

1. якорная обмотка;

2. якорь;

3. щётки и контактные кольца;

4. индуктор;

5. обмотка возбуждения.

С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током,-на статоре.

Рис. №3. Конструктивная схема синхронной машины с вращающимся якорем:

1. якорь;

2. обмотка якоря;

3. полюса индуктора;

4. обмотка возбуждения;

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем.

При подключении обмотки статора к сети протекающий по обмотке ток создает (так же как в асинхронной машине) вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с током Iв протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в дви­гательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме - тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращения п₁=п₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п₁=п₂;

б) частота изменения э.д.с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в обмотке ротора э.д.с. не индуктируется, а ее м.д.с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.