Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство синхронных машин.

Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

 

 

 

 

 

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах.

 

 

 

 

 

 

Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

 

 

 

 

 

 

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора.

Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис.

4.4).

При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой n_о магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС  , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором;  l – активная длина проводника;  – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

Выше отмечалось,  что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где — угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив, получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически  (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8. 1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где  – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; — число витков одной фазы обмотки статора; — число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120⁰, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения

.

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя.

Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора.  Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой ). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и, которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления , ось ротора и его полюсов , сместится в сторону отставания на угол (рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие и создают вращающий момент , где — радиус ротора.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .

Противодействующий момент и противо-ЭДС.

При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора.

В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент . В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя: .

При работе синхронной машины в режиме двигателя поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и в ней индуцируется ЭДС, которая согласно правилу Ленца действует навстречу току статора. По этой причине её называют противо-ЭДС. В установившемся режиме противо-ЭДС почти полностью уравновешивает напряжение сети

.

Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора .

Реакция якоря в синхронной машине.

Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора  и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения

, поэтому частота ЭДС и тока статора , где — число пар полюсов машины.

Частота вращения магнитного поля статора .

Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.

Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генератора с неявно выраженными полюсами ротора, работающего на различную по характеру нагрузку .

При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm₁ магнитного потока ротора Ф₀ перпендикулярна оси nn₁ катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а).

Магнитный поток статора Ф_я замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф₀ опережает ось потока статора Ф_я на электрический угол, равный 90⁰ (поперечная реакция якоря).

При этом результирующий магнитный поток машины (ось qq₁) поворачивается относительно потока ротора Ф₀ на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.

При чисто индуктивной нагрузке X_L ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 90⁰ и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 90⁰ по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ().

При емкостной нагрузке X_C ток в фазе статора опережает ЭДС на 90⁰ и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 90⁰ до оси mm₁ (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину  ().

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.

Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой ). Изменение Ф_рез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора.

Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.

Устройство синхронных машин | Неисправности электрооборудования и способы их устранения

Страница 8 из 30

Синхронной называют такую машину переменного тока, в которой частота вращения ротора жестко связана с частотой сети и э. д. с. в обмотке якоря. В основном синхронные машины используют в генераторном режим работы и устанавливают на электрических станция) Иногда синхронные машины используют в двигательном режиме и в режиме компенсаторов реактивной мощности.

Рис. 53. Синхронная машина нормального исполнения:
1— вал; 2 — возбудитель; 3 — контактные кольца; 4 — обмотка статора; 5 — полюс ротора; 6 — станина (корпус)) 7 — вентилятор) 8 — подшипниковый щит.

Рис. 54. Явнополюсный ротор синхронной машины.

Синхронная машина нормального исполнения состоит из следующих основных частей: статора-якоря с обмоткой переменного тока; ротора с обмоткой возбуждения постоянного тока; возбудителя-генератора постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением; вала ротора; подшипниковых щитов; двух контактных колец и щеточного аппарата; вентилятора; подшипников; фланцев и деталей крепежа.

Рис. 55. Полнополюсный ротор синхронной машины.
Статор-якорь синхронной машины с обмоткой переменного тока по устройству аналогичен статору асинхронного двигателя.
Ротор синхронной машины выполняют в двух вариантах — явнополюсном и полноявнополюсном.
Явнополюсный ротор состоит из металлического обода, насаживаемого на вал; к ободу крепят полюсные башмаки с обмоткой возбуждения постоянного тока. Устройство полюсных башмаков с обмоткой аналогично устройству основных полюсов машины постоянного тока. Обмотку возбуждения ротора при помощи двух колец и щеточного аппарата соединяют с выводами возбудителя. Явнополюсный ротор обыкновенно имеет большой диаметр и малую длину. Его применяют в машинах с частотой вращения 1500 об/мин и менее. Полнополюсный ротор изготовляют из специальной стали путем ковки. На наружной поверхности ротора фрезеруют пазы для укладки обмотки. На роторе делают два или четыре больших зубца, которые охватываются катушками возбуждения. Число больших зубцов равно числу полюсов машины. Полнополюсный ротор имеет малый диаметр, большую дли ну. Его используют в машинах с частотой вращения 1500 или 3000 об/мин. Башмаки явнополюсного ротора часто снабжают демпферной (пусковой) обмоткой, ана
логичной короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного двигателя; в машинах с полнополюсным ротором роль демпферной обмотки выполняет тело-бочка ротора.
Возбудитель — генератор постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением, вал которого жестко соединяется с валом ротора синхронной машины. Все остальные детали синхронной машины аналогичны соответствующим деталям асинхронного двигателя. На рисунке 53 показана синхронная машина нормального исполнения, на рисунке 54 — явнополюсный ротор синхронной машины, а на рисунке 55 — полнополюсный ротор синхронной машины.

Принцип действия синхронного генератора

Если вращать ротор синхронного генератора каким- либо приводным двигателем, например тепловым, то по обмотке возбуждения ротора синхронного генератора, подключенной к возбудителю, будет течь постоянный ток. Магнитный поток, созданный ампер-витками обмотки возбуждения, вращаясь вместе с ротором синхронного генератора, будет пересекать неподвижную обмотку статора-якоря и наведет в каждой фазе обмотки переменную э. д. с. Действующее значение э. д. с. фазы, В, можно определить по формуле
(70)
Частота э. д. с. где п — частота вращения ротора, об/мин.
Из формулы 70 можно сделать вывод, что величина э.д. с. зависит от частоты вращения ротора и потока, но частота ротора должна быть постоянной, так как при изменении частоты будет меняться э. д. с., а это недопустимо. Практически величину э. д. с. можно менять путем изменения магнитного потока. Магнитный поток зависит от величины тока возбуждения ротора, а последний — от величины напряжения возбудителя.
Если к выводам обмотки статора подключить нагрузку, то генератор будет отдавать ей электрическую энергию. Генератор преобразует механическую энергию двигателя, вращающего ротор, в электрическую.

Устройство синхронной машины | Устройство и ремонт электрических машин

Страница 3 из 14

§ 36. УСТРОЙСТВО СИНХРОННОЙ МАШИНЫ, КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЕЕ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
Синхронцые машины выполняют с роторами двух конструкций: с явновыраженными полюсами (явнополюсными) и с неявновыраженными (неявнополюсными).

Рис. 92. Устройство электрической машины с явнополюсным ротором:
1 — корпус, 2 и 3 — сердечник и обмотка статора, 4 — ротор,
— вентилятор, б — выводы  обмотки статора, 7 — контактные кольца, 8 — щетки, 9 — возбудитель
Устройство синхронной машины с явнополюсным ротором показано на рис. 92, а конструкция этого ротора и его деталей — на рис. 93. Станина (корпус) 1 синхронной машины

Рис. 93. Конструкция явнополюсного ротора и его деталей:
а — общий вид ротора, б — сердечник полюса ротора с успокоительной обмоткой, в — обмотка полюса; 1 — вал, 2 — контактные кольца, 3 — обод, 4 — полюс, 5 — обмотка возбуждения, б — заклепки, 7 — сегмент, замыкающий стержни успокоительной обмотки, 8 и 9 — наконечник и хвостовик полюса, 10 — катушка полюса, 11 — каркас обмотки полюса

Рис. 94. Схема возбуждения обмотки ротора синхронной машины:
1 — контактные кольца, 2 — ротор, 3 — статор, 4 — полюс,
5 — катушка полюса, 6 — возбудитель (машина постоянного тока), 7 — шунтовой регулятор, 8 — щетки
(рис. 92) отливается обычно из чугуна и служит для размещения в ней сердечника 2, в пазах которого  уложены катушки обмотки 3 статора. Сердечник представляет собой плотно спрессованный пакет изолированных штампованных листов электротехнической стали толщиной  0,35 — 0,5 мм с выштампованными в них вырезами, образующими в собранном пакете сердечника пазы, в которые уложена трехфазная обмотка ротора.
Явнополюсный ротор (рис. 93, а) состоит из вала i, на который насажен стальной обод 3 с закрепленными на нем полюсами 4 с обмоткой,5. Обмотки полюсов (катушки возбуждения) соединены последовательно, образуя роторную обмотку возбуждения синхронной машины. Концы обмотки возбуждения присоединяют к контактным кольцам 2, изолированным от вала втулками из стеклоткани или миканита. Каждый полюс явнополюсного ротора состоит из сердечника и обмотки.  Сердечник полюса (рис. 93,6) набирается обычно из листов конструкционной стали толщиной 1 — 2  мм, скрепляемых друг с другом стяжными стальными заклепками б, прочно стягивающими их в пакет.
В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках 8 размещают стержни пусковой обмотки, выполненной из круглых прутков латуни. Пусковую обмотку называют также успокоительной или демпферной, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных -режимах работы синхронной машины.

Рис. 95. Синхронный генератор Сд-128-4:   

1, 3, 4, 18, 19 и 21 — вал, вентилятор, станина, подшипниковый 4щит, коробка выводов и рам, 2 и 8 — подшипники
20 — подшипник, вентилятор, станина, подъемное кольцо и коробка зажимов возбудителя, 14 — сердечник якоря возбудителя, 16 — коллектор, 17 — вал якоря, 22 и 23 — добавочный и главный полюсы возбудителя, 24 — жалюзи, 25 болт 4   заземления

Полюс хвостовиком 9 закрепляется в специальных пазах обода ротора. Катушка 10 полюса (рис. 93, в) намотана прямоугольным или круглым медным проводом. Провода обмотки полюса изолированы и намотаны на каркас 11 из изоляционного материала. Концы обмотки выведены в разные стороны для удобства присоединения их к концам обмоток соседних полюсов. Ротор помещен внутри статора, закрытого подшипниковыми щитами, установленными на торцах станины.
Для возбуждения синхронной машины необходимо питание обмотки ее ротора постоянным током. В зависимости от способа питания этой обмотки различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника питания обмотки служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины. Схема возбуждения синхронной машины от генератора (машины постоянного тока) показана на рис. 94, а устройство синхронного генератора с возбудителем на валу — на рис. 95. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается постоянным током от выводов статора через выпрямитель.
Синхронные машины применяют в качестве первичных двигателей, когда требуется стабильная частота вращения механизма, приводимого в движение от электропривода.

Принцип действия и устройство электрических машин переменного тока. Синхронные машины

Машины переменного тока по устройству несколько отличаются от машин постоянного тока. Каждая машина состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. В отличие от машин постоянного тока, у машин переменного тока на статоре обычно укладывают обмотку якоря, а на роторе — обмотку возбуждения. Вместо коллектора на роторе имеются изолированные кольца, по которым ток проводится в обмотку возбуждения.

Синхронными называют такие машины переменного тока, у которых скорость вращения ротора и частота переменного тока в обмотках изменяются одновременно и пропорционально друг другу, т. е. синхронно. С изменением частоты тока у таких машин одновременно (синхронно) меняется число оборотов.

Как правило, у синхронных машин по обмотке возбуждения проходит постоянный ток от постороннего источника. Синхронные машины обратимы, т.е. могут работать в качестве генераторов и электродвигателей. Конструкция синхронного двигателя почти не отличается от конструкции синхронного генератора.

Так как на судах морского флота сети переменного тока питаются от трехфазных синхронных генераторов, то остановимся на их устройстве и принципе работы.

Обмотка якоря трехфазного синхронного генератора располагается в статоре и состоит из трех отдельных обмоток — фаз, сдвинутых относительно друг друга на 120° (1/3 периода) с таким расчетом, чтобы индуктируемая э. д.с. в каждой фазе достигала своего максимума спустя 1/3 периода после максимума э.д.с. соседней фазы. Обмотку возбуждения укладывают на роторе и источником питания для нее может быть небольшой генератор постоянного тока (возбудитель), смонтированный на одном валу с синхронным генератором, или аккумуляторная батарея.

Обмотки статора соединяются между собой звездой или треугольником, при этом во внешнюю цепь от обмоток статора отходят три провода (три контакта). Продольный разрез синхронного генератора трехфазного переменного тока с возбудителем показан на рис. 172.

Ротор состоит из сердечников полюсов 1, катушки обмотки возбуждения 2, питаемого постоянным током через контактные кольца 5. Статор состоит из активной стали якоря 3, служащей магнитопроводом, и станины 6, служащей для крепления стали якоря и установки машины на фундамент. Активная сталь якоря набирается из листов специальной стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. Листы изолируются с обеих сторон специальным лаком. Обмотка 4 укладывается в пазах, выштампованных в стали статора.

На рис. 173, а показано размещение трехфазной обмотки статора (на одной четвертой его части), а на схемах б и в — соединение обмотки статора в треугольник и в звезду. При соединении в треугольник начало первой фазы I соединяется с концом II, начало II — с концом III и начало III — с концом I.

При соединении обмоток статора звездой концы всех фаз соединяются в одну точку, называемую нулевой, а начала всех фаз остаются свободными и к ним присоединяется внешняя цепь, в которую подается вырабатываемая генератором электрическая энергия.

Синхронные трехфазные генераторы являются в настоящее время основными источниками электрической энергии как на береговых, так и на судовых электрических станциях любой мощности. За последние годы на морских судах получили широкое распространение синхронные генераторы, у которых обмотка возбуждения питается током статора, предварительно выпрямленным с помощью выпрямителей. При этом схема возбуждения этих машин обеспечивает такое изменение тока возбуждения, при котором напряжение на клеммах генератора поддерживается практически постоянным. Такие генераторы называются синхронными генераторами с самовозбуждением и саморегулированием напряжения.

Конструкция синхронного двигателя принципиально не отличается от конструкции синхронного генератора. Для того чтобы синхронный генератор работал в режиме двигателя, нужно отключить первичный двигатель и к фазным обмоткам статора подвести трехфазный ток из сети.

В этом случае генератор станет синхронным Электродвигателем, потребляющим ток. Проходя по фазным обмоткам, переменный трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с электромагнитом ротора, увлекает его в сторону своего вращения. В результате ротор будет вращаться с такой же скоростью, как вращающееся магнитное поле. При этом генератор не остановится, даже если дать ему нагрузку, соединив с каким-нибудь механизмом. В этом и заключается сущность работы синхронного электродвигателя.

Регулирование скорости вращения ротора синхронного двигателя производится изменением частоты тока сети, а изменение направления вращения ротора — переключением двух любых фаз, т.е. взаимным пересоединением двух питающих проводов.

Похожие статьи

Устройство синхронных машин | Режимщик

Синхронные машины устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки (рисунок 1).

Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60-500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т.  е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рисунок 1, а). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов.

Рисунок 1. Конструкция роторов синхронных машин:
а — ротор с явно выраженными полюсами; б — ротор с неявно выраженными полюсами

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до не¬скольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения.
Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рисунок 2). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом. Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт стальными щитами 13. В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

Рисунок 2 Устройство синхронного двигателя серии СДН2

На рисунке 3 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструкций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в продольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

Рисунок 3. Полюс синхронного двигателя

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор δ минимален, а на краях — максимален Smax. Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R < (Dl — 2δ) / 2, где D1 — диаметр расточки сердечника статора.

Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы

Автор Фома Бахтин На чтение 3 мин. Просмотров 5.7k. Опубликовано 10 марта Обновлено 19 ноября

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

Синхронный электродвигатель: характеристики, устройство и принцип действия

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

• Неподвижной части (якорь или статор).
• Подвижной части (ротор или индуктор).
• Вентилятора.
• Контактных колец.
• Щеток.
• Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

• Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
• С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Строительство синхронной машины

Конструкция синхронной машины , т.е. генератор или двигатель, состоит из двух основных частей, а именно статора и ротора. Статор — это неподвижная часть машины. Он несет обмотку якоря, в которой генерируется напряжение. Мощность машины снимается со статора. Ротор — это вращающаяся часть машины. Ротор создает поток основного поля.

Важные части синхронной машины приведены ниже:

• Статор
• Ротор
• Разное

Конструкция статора

Стационарная часть машины называется статором.Он включает в себя различные детали, такие как рама статора, сердечник статора, обмотки статора и охлаждающее устройство. Они подробно описаны ниже.

Рама статора

Это внешний корпус машины из чугуна, который защищает внутренние части машины.

Сердечник статора

Сердечник статора изготовлен из кремнистой стали. Он сделан из ряда штампов, которые изолированы друг от друга. Его функция состоит в том, чтобы обеспечить легкий путь для магнитных силовых линий и разместить обмотку статора.

Обмотка статора

На внутренней периферии сердечника статора прорезаны прорези, в которые помещается трехфазная или однофазная обмотка. В качестве обмоточного материала используется эмалированная медь. Обмотка соединена звездой. Обмотка каждой фазы распределена по нескольким пазам. Когда ток течет в распределенной обмотке, он создает по существу синусоидальное пространственное распределение ЭДС.

Конструкция ротора

Вращающаяся часть машины называется ротором. Существует два типа конструкции ротора, а именно с явнополюсным ротором и с цилиндрическим ротором.

Ротор с явным полюсом

Термин «выступ» означает «выступающий». Таким образом, ротор с явнополюсным ротором состоит из полюсов, выступающих из поверхности сердечника ротора. Вид с торца типичного 6-полюсного ротора с явнополюсным ротором показан ниже на рисунке:

Поскольку ротор подвергается воздействию изменяющихся магнитных полей, он изготовлен из листовой стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Стойки одинаковых размеров собираются путем укладки пластин на необходимую длину. Синхронная машина с явнополюсной синхронизацией имеет неоднородный воздушный зазор.Воздушный зазор минимален под центрами полюсов и максимален между полюсами.

Они сконструированы для средних и низких скоростей, так как имеют большое количество полюсов. Генератор явнополюсного типа имеет большой диаметр. Ротор явнополюсного ротора состоит из следующих важных частей.

Spider: Он сделан из чугуна, чтобы обеспечить легкий путь для магнитного потока. Он прикреплен к валу шпонкой, а на внешней поверхности к нему прикреплены стержень полюса и полюсный башмак.

Стержень полюса и башмак: Изготовлен из многослойной листовой стали.Полюсный сердечник обеспечивает наименьшее сопротивление магнитному полю, а полюсный башмак равномерно распределяет поле по всей периферии, создавая синусоидальную волну.

Обмотка возбуждения или обмотка возбуждения: Она наматывается на каркас и затем размещается вокруг сердечника полюса. Питание постоянного тока на него подается через контактные кольца. Когда через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, создается необходимое магнитное поле.

Демпферная обмотка: На самой внешней периферии предусмотрены отверстия, в которые вставляются медные шины и замыкаются накоротко с обеих сторон кольцами, образующими демпферную обмотку.

Ротор с невыпадающими полюсами или цилиндрический ротор

В этом типе ротора нет выступающих полюсов, но полюса формируются током, протекающим через обмотку возбуждения ротора. Цилиндрические роторы изготавливаются из цельных поковок из высококачественной никелево-хромомолибденовой стали. Он имеет сравнительно небольшой диаметр и большую осевую длину.

Они используются в высокоскоростных машинах. Генератор переменного тока с цилиндрическим ротором имеет два или четыре полюса на роторе. Такая конструкция обеспечивает большую механическую прочность и позволяет более точную динамическую балансировку.Гладкий ротор машины дает меньше потерь на ветер, а работа менее шумна из-за равномерного воздушного зазора.

На рисунке ниже показан вид с торца двухполюсного и четырехполюсного цилиндрических роторов.

Они приводятся в действие паровыми или газовыми турбинами. Синхронные генераторы с цилиндрическим синхронным ротором называются турбогенераторами и турбогенераторами. Машины имеют ряд номиналов от 10 МВА до более 1500 МВА. Самый большой типоразмер, используемый в Индии, имеет рейтинг 500 МВА, установленный на супер-ТЭЦ.

Невыступающие роторы полюсного типа состоят из следующих частей. Они следующие:

Сердечник ротора: Сердечник ротора изготовлен из штампованной кремнистой стали. Ставится на вал. На внешней периферии прорезаны прорези, в которые помещаются катушки возбуждения.

Обмотка ротора или возбуждающая обмотка: Она размещается в пазах ротора, и ток пропускается через обмотку таким образом, чтобы полюса формировались в соответствии с требованиями.

Контактные кольца: Контактные кольца обеспечивают подачу постоянного тока на обмотки ротора.

Разное

Прочие детали приведены ниже:

Щетки: Щетки изготовлены из карбона и скользят по контактным кольцам. На щетки подается постоянный ток. Ток течет от щеток к контактным кольцам, а затем к возбуждающим обмоткам.

Подшипники: Подшипники расположены между валом и внешним неподвижным корпусом для уменьшения трения. Изготовлены из высокоуглеродистой стали.

Вал: Вал изготовлен из низкоуглеродистой стали. Механическая мощность передается на машину через вал.

Синхронный двигатель

— обзор

Коэффициент мощности для переменного тока

Коэффициент мощности — это коэффициент, на который умножается кажущаяся мощность в кВА для получения фактической мощности, кВт, в системе переменного тока. Это отношение синфазной составляющей линейного тока к общему току [39].

В асинхронных двигателях намагничивающая составляющая тока всегда отстает на 90 °.Следовательно, линейный ток отстает при всех нагрузках; величина зависит от нагрузки тока намагничивания.

В синхронных двигателях возбуждение обеспечивается отдельным источником постоянного тока, либо в виде отдельной мотор-генераторной установки (M-G), либо в виде возбудителя, установленного непосредственно на валу двигателя. Ток можно заставить опережать в разной степени, изменяя величину напряженности поля. Коэффициент мощности двигателей может быть отстающим, единичным или опережающим. При использовании переменного тока потребляемая мощность, называемая активной или фактической мощностью , считается энергией, используемой резистивной нагрузкой [40]. Синхронный двигатель обеспечивает единицу или опережающий фактор, а асинхронный двигатель обеспечивает единицу или запаздывающий фактор.

Применяя надлежащую величину возбуждения постоянного тока к полюсам возбуждения синхронного двигателя, он работает с единичным коэффициентом мощности. Синхронные двигатели с коэффициентом мощности Unity предназначены для работы именно таким образом. Полная нагрузка, при возбуждении им не требуется отстающая реактивная кВА от линии, и они не подают опережающую реактивную кВА к линии; они работают с единичным коэффициентом мощности с минимальным током статора и, следовательно, с самым высоким КПД [15].

Проконсультируйтесь с квалифицированным инженером-электриком о типах двигателей, предлагаемых для технологического предприятия; такая оценка сочетания синхронных и асинхронных двигателей поможет определить новый коэффициент мощности для установки, потому что чистый коэффициент запаздывания для станций означает, что вся мощность для этой установки будет стоить больше, чем если бы коэффициент был единицей или опережающим. Из Brown and Cadick [40]:

Полная мощность = EI, или ВА, или кВА

Активная мощность = EICosθ, или Вт, или кВт

Примечание: θ = угол тока между полной и активной мощностью на векторной диаграмме

Реактивная мощность = EISinθ, или VAR, или kVAR

Расчетный коэффициент мощности:

F _p = активная мощность / полная мощность

F _p = EICosθ / (EI) = cosθ

F _p = Вт / (ВАр) = (кВт) / (кВАр)

Обратите внимание, что реактивная мощность предъявляет требования к энергосистеме, но не дает никакой полезной работы.

(20-13) Номинальная мощность двигателяVA = (л.с.) (0,746) (Eff) (powerfactor)

Плата за электроэнергию основана на потребляемой мощности в кВАр; таким образом, чем ниже коэффициент мощности, тем выше плата за потребление. См. Полезные обсуждения этого вопроса в Планкенхорне [41], Валода [42] и Лазаре [43]. Плата за электроэнергию зависит от требований VAR; таким образом, чем ниже коэффициент мощности, тем выше плата за потребление.

На большинстве технологических предприятий необходимо соблюдать осторожность, чтобы поддерживать подходящий коэффициент мощности для своей системы, в противном случае может быть применен штраф на затраты на электроэнергию.Если коэффициент мощности падает ниже некоторого установленного значения, например 0,8, затраты на электроэнергию увеличиваются, потому что фактическая мощность (в виде тока), необходимая для работы (в лошадиных силах), значительно меньше, чем общая мощность, подаваемая в систему установки. Разница в том, что он попадает в поле намагничивания (реактивный ток), что не соответствует реальной работе. Добавляя синхронные двигатели или конденсаторы к системе с полностью индукционной нагрузкой, вы можете поднять коэффициент мощности с запаздывающего состояния до единицы (или почти до единицы). Синхронные двигатели могут быть спроектированы так, чтобы обеспечивать переменные величины ведущего коэффициента мощности.Это исследование или баланс, который необходимо учитывать при проектировании станции, а рекомендации должны быть подготовлены компетентными инженерами-электриками.

Обычно коэффициент мощности синхронного двигателя равен единице (1,0) или 0,8. Значения опережения 0,7 или 0,6 дадут большую коррекцию опережения для другой запаздывающей системы.

Рисунок 20-13 иллюстрирует работу с коэффициентом мощности для различных типов оборудования.

Рисунок 20-13. Коэффициент мощности различных устройств и то, как синхронные двигатели улучшают коэффициент мощности.

(Используется с разрешения: EM Synchronizer, 200-SYN-42, © 1955. Dresser-Rand Company.)

Асинхронному двигателю обычно требуется от 0,3 до 0,6 реактивного намагничивания кВА на л.с. или рабочую нагрузку, но опережающую мощность 0,8. Синхронный двигатель с коэффициентом усиления будет обеспечивать мощностью корректирующего намагничивания 0,4–0,6 кВА на л.с. в зависимости от переносимой механической нагрузки. Таким образом, равные подключенные л.с. в асинхронных двигателях и синхронных двигателях с опережающим коэффициентом мощности 0,8 дадут коэффициент мощности системы примерно равный единице [39].

(20–14) реактивная, кВА = (totalalkVA) 2– (кВт) 2

Это всегда запаздывание для асинхронного двигателя. Для синхронного двигателя с коэффициентом мощности (PF) = 1,0 кВА и кВт равны, а для любого коэффициента мощности меньше 1,0, то есть 0,9, 0,8, 0,7 и т. Д., Коэффициент мощности является опережающим. Также см. Ссылки [44–46].

Синхронная машина — обзор

4.14.5.3.2.4 Синхронная машина

Синхронная машина — это машина переменного тока; его ротор вращается с той же скоростью вращения поля (синхронная скорость).Синхронные машины преимущественно используются в производстве электроэнергии. Они называются синхронными генераторами (или генераторами переменного тока). Синхронные генераторы являются первичными устройствами преобразования энергии, и их номинальная мощность может достигать от долей лошадиных сил до нескольких сотен мегавольт-ампер (МВА). Обычно они используются в насосах, серводвигателях и электрических часах, где требуется постоянная скорость.

В синхронных машинах ротор имеет обмотку, возбуждаемую постоянным током, или ФЭУ для создания поля возбуждения, контактные кольца и щетки для внешнего соединения.Статор несет обмотку якоря. Обмотка возбуждения возбуждается постоянным током для создания магнитного потока в воздушном зазоре. Когда ротор вращается, в обмотке якоря, расположенной на статоре, индуцируется напряжение. Ток якоря создает вращающийся поток в воздушном зазоре, скорость которого совпадает со скоростью ротора, отсюда и название синхронной машины.

Синхронные машины часто делятся на две группы в зависимости от конфигурации ротора: цилиндрический ротор и явнополюсный. Синхронные машины с цилиндрическим или круглым ротором имеют равномерный воздушный зазор, 2–4 полюса ротора с высокой скоростью, ротор, который обычно имеет небольшой диаметр, но имеет длину в осевом направлении и обычно приводится в движение паровыми турбинами.Синхронные машины с явными полюсами имеют неравномерный воздушный зазор, большое количество полюсов ротора с низкой скоростью, ротор, который обычно имеет большой диаметр, но короткий в осевом направлении, и обычно приводится в движение водяными турбинами.

Принцип работы синхронных генераторов основан на использовании полюсов, которые намагничиваются либо PM, либо постоянным током. Якорь, обычно содержащий трехфазную обмотку, установлен на валу. Обмотка якоря питается через три контактных кольца и набор скользящих по ним щеток.Ротор вращается первичным двигателем. Схематический разрез двухполюсной синхронной машины показан на рис. 17.

Рис. 17. Синхронная машина. Схематический вид в разрезе двухполюсной машины.

Воспроизведено с Sen PC. Принципы электрических машин и силовой электроники. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & amp; Сыновья; 2004.

В синхронной машине обмотка возбуждения намотана на ротор, а якорь — на статор. Постоянный ток, создавая магнитное поле, которое должно вращаться с синхронной скоростью, возбуждает вращающуюся обмотку возбуждения.На вращающуюся обмотку возбуждения можно подавать напряжение через набор контактных колец и щеток. В полях с внешним питанием источником может быть генератор постоянного тока с приводом от вала; Существует несколько вариантов этих схем. Сердечник статора изготовлен из изолированных стальных пластин для минимизации потерь на вихревые токи и гистерезиса.

Число полюсов в электрической машине всегда четное число. При увеличении числа полюсов скорость вращения уменьшается. Синхронная скорость — это скорость вращения поля возбуждения.Скорость ротора определяется частотой возбуждения и числом полюсов.

В двух словах о синхронных машинах (генератор и двигатель)

Конструкция синхронного генератора

В синхронном генераторе на обмотку ротора подается постоянный ток, который создает магнитное поле ротора. Затем ротор генератора вращается первичным двигателем, создавая вращающееся магнитное поле внутри машины. Это вращающееся магнитное поле индуцирует трехфазный набор напряжений в обмотках статора генератора.

В двух словах о теории синхронных машин (генератор и двигатель)

Для описания обмоток машины обычно используются два термина: обмотки возбуждения и обмотки якоря. В общем, термин « обмоток возбуждения » применяется к обмоткам, которые создают основное магнитное поле в машине, а термин « обмоток якоря » применяется к обмоткам, на которые индуцируется основное напряжение.

В синхронных машинах обмотки возбуждения находятся на роторе, поэтому термины «обмотки ротора» и «обмотки возбуждения» используются как синонимы.Точно так же термины «обмотки статора» и «обмотки якоря» используются взаимозаменяемо.

Ротор синхронного генератора представляет собой большой электромагнит . Магнитные полюса на роторе могут иметь выступающую или несъемную конструкцию. Термин «выступающий» означает «выступающий» или «выступающий», а выступающий полюс — это магнитный полюс, который выступает из поверхности ротора.

С другой стороны, незакрепленный полюс — это магнитный полюс, сконструированный заподлицо с поверхностью ротора.

Рисунок 1 — Несоидальный двухполюсный ротор для синхронной машины

Ротор с несоциальными полюсами показан на рисунке 1, а ротор с явным полюсом — на рисунке 2. Роторы с несоциальными полюсами обычно используются для двух- и двухполюсных роторов . роторы с четырьмя полюсами , в то время как роторы с явными полюсами обычно используются для роторов с четырьмя или более полюсами .

Поскольку ротор подвергается воздействию изменяющихся магнитных полей, он изготовлен из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Рис. 2 — (а) Выступающий шестиполюсный ротор синхронной машины.(b) Фотография выдающегося восьмиполюсного ротора синхронной машины, показывающая обмотки на отдельных полюсах ротора. (e) Фотография одного ярко выраженного полюса перед ротором с еще не установленными обмотками возбуждения. (d) Единственный выступающий полюс, показанный после установки обмоток возбуждения, но до того, как он будет установлен на роторе. В цепь возбуждения ротора должен подаваться постоянный ток

А. Поскольку ротор вращается, требуется специальное устройство для подачи постоянного тока на его обмотки возбуждения.

Есть два распространенных подхода к подаче этого постоянного тока:

1. Подача постоянного тока от внешнего источника постоянного тока на ротор с помощью контактных колец и щеток.
2. Подача постоянного тока от специального источника постоянного тока, установленного непосредственно на валу синхронного генератора.

Контактные кольца — это металлические кольца, полностью охватывающие вал машины, но изолированные от него. Один конец обмотки ротора постоянного тока привязан к каждому из двух контактных колец на валу синхронной машины. и неподвижная щетка едет по каждому контактному кольцу. «Щетка» представляет собой блок из графитоподобного углеродного соединения , который не проводит электричество, но имеет очень низкое трение.так, чтобы оно не изнашивало контактное кольцо.

Если положительный конец источника постоянного напряжения подключен к одной щетке, а отрицательный конец подключен к другой, то одно и то же постоянное напряжение будет подаваться на обмотку возбуждения все время, независимо от углового положения или скорости ротор.

Контактные кольца и щетки создают несколько проблем, когда они используются для подачи постоянного тока на обмотки возбуждения синхронной машины. Они увеличивают объем технического обслуживания машины, так как щетки необходимо регулярно проверять на износ.

Рисунок 3 — Схема бесщеточного возбудителя. Небольшой трехфазный ток выпрямляется и используется для питания цепи возбуждения возбудителя. который находится на статоре. Выход цепи якоря возбудителя (на роторе) затем выпрямляется и используется для подачи тока возбуждения в главную машину.

Кроме того, падение напряжения на щетке может быть причиной значительных потерь мощности на машинах с большими токами возбуждения . Несмотря на эти проблемы, контактные кольца и щетки используются на всех меньших синхронных машинах, потому что никакой другой метод подачи постоянного тока возбуждения не является рентабельным.

На более крупных генераторах и двигателях используются бесщеточные возбудители для подачи постоянного тока возбуждения в машину. Бесщеточный возбудитель — это небольшой генератор переменного тока, цепь возбуждения которого установлена ​​на статоре, а цепь якоря — на валу ротора. Трехфазный выход генератора возбудителя выпрямляется до постоянного тока с помощью трехфазной схемы выпрямителя, также установленной на валу генератора, а затем подается в основную цепь возбуждения постоянного тока.

Рисунок 4 — Фотография ротора синхронной машины с бесщеточным возбудителем, установленным на одном валу.Обратите внимание на выпрямительную электронику, видимую рядом с якорем возбудителя.

Управляя небольшим постоянным током возбуждения генератора возбудителя (расположенного на статоре), можно регулировать ток возбуждения на главной машине без контактных колец и щеток. Это устройство схематично показано на фиг. 3, а ротор синхронной машины с бесщеточным возбудителем, установленный на том же валу , показан на фиг. 4 выше.

Поскольку между ротором и статором никогда не возникает механических контактов, бесщеточный возбудитель требует гораздо меньшего обслуживания, чем контактные кольца и щетки.

Чтобы сделать возбуждение генератора полностью независимым от каких-либо внешних источников питания, в систему часто включают небольшой пилотный возбудитель. Пилотный возбудитель — это небольшой генератор переменного тока с постоянными магнитами, установленными на валу ротора, и трехфазной обмоткой на статоре. Он вырабатывает мощность для цепи возбуждения возбудителя, который, в свою очередь, управляет цепью возбуждения главной машины.

В двух словах о синхронных машинах (генератор и двигатель)

Новая бесщеточная синхронная машина с фазным ротором, использующая специальную обмотку статора

1.

Barcaro M, Bianchi N (2014) Машины с внутренним PM, использующие феррит для замены поверхностных машин PM с редкоземельными элементами. IEEE Trans Ind Appl 50 (2): 979–985

Статья Google Scholar

2.

Barcaro M, Bianchi N, Magnussen F (2012) Оптимизация постоянных магнитов в синхронных реактивных двигателях с постоянными магнитами для широкого диапазона скоростей с постоянной мощностью. IEEE Trans Industr Electron 59 (6): 2495–2502

Статья Google Scholar

3.

Guglielmi P, Boazzo B, Armando E, Pellegrino G, Vagati A (2013) Минимизация использования постоянных магнитов в синхронных реактивных двигателях с постоянным магнитом для широкого диапазона скоростей. IEEE Trans Ind Appl 49 (1): 31–41

Статья Google Scholar

4.

Amara Y, Vido L, Gabsi M, Hoang E, Ben Ahmed AH, Lecrivain M (2009) Синхронные машины с гибридным возбуждением: энергоэффективное решение для приведения в движение транспортных средств. IEEE Trans Veh Technol 58 (5): 2137–2149

Статья Google Scholar

5.

Shushu Z, Chuang L, Yinhang N, Jie T (2015) Двухступенчатый бесщеточный метод возбуждения для синхронного генератора с гибридным возбуждением. IEEE Trans Magn 51 (6): 1–11

Статья Google Scholar

6.

Wang Y, Deng Z (2012) Сравнение гибридных топологий возбуждения для машин с переключением потока. IEEE Trans Magn 48 (9): 2518–2527

Артикул Google Scholar

7.

Zhu ZQ, Liu X (2015) Новые синхронные машины с возбуждением электрическим полем статора без редкоземельного магнита.IEEE Trans Magn 51 (4): 1–9

Google Scholar

8.

Lipo TA, Du ZS (2015) Синхронные моторные приводы — забытый вариант. В: Международная эгейская конференция по электрическим машинам и силовой электронике (ACEMP), 2015 г., международная конференция по оптимизации электрического и электронного оборудования (OPTIM), 2015 г. и международный симпозиум по передовым электромеханическим системам движения (ELECTROMOTION), 2015 г., сбоку, стр. 1–5

9.

Смит И.Р., Нисар П.А. (1968) Бесщеточная трехфазная синхронная машина с самовозбуждением. Proc Inst Electr Eng 115 (11): 1655–1660

Статья Google Scholar

10.

Inoue K, Yamashita H, Nakamae E, Fujikawa T (1992) Бесщеточный самовозбуждающийся трехфазный синхронный генератор, использующий гармоническую составляющую магнитодвижущей силы 5-го пространства через токи якоря. IEEE Trans Energy Convers 7 (3): 517–524

Статья Google Scholar

11.

Bortis D, Fässler L, Looser A, Kolar JW (2013) Анализ концепций вращающихся трансформаторов для высокоскоростных приложений. В: 2013 двадцать восьмая ежегодная конференция и выставка IEEE по прикладной силовой электронике (APEC). Long Beach, CA, pp 3262–3269

12.

Yao F, An Q, Gao X, Sun L, Lipo TA (2015) Принцип работы и характеристики синхронной машины, использующей новую схему гармонического возбуждения. IEEE Trans Ind Appl 51 (5): 3890–3898

Статья Google Scholar

13.

Джавад Г., Али К., Липо Т.А., Квон Б.И. (2016) Новая бесщеточная синхронная машина с фазным ротором и возбуждением поля третьей гармоники нулевой последовательности. IEEE Trans Magn 52 (7): 1–4

Статья Google Scholar

14.

Али Кью, Липо Т.А., Квон Б.И. (2015) Разработка и анализ новой синхронной машины с бесщеточным ротором. IEEE Trans Magn 51 (11): 1–4

Статья Google Scholar

15.

Ali Q, Atiq S, Lipo TA, Kwon BI (2016) Синхронная машина с бесщеточным ротором с сервоприводом с PM. J Magn 21 (3): 399–404

Артикул Google Scholar

что вам нужно знать

Роторные электродвигатели связаны с взаимодействием двух магнитных полей: статора и ротора. В электродвигателе постоянного тока щеточного типа напряжение постоянного тока подается на статор, создавая стационарное магнитное поле. Постоянный ток также подается на коммутатор, который прикреплен к якорю, части ротора.Поскольку коммутатор сегментирован, полярность тока, подаваемого на обмотку ротора, периодически меняется на противоположную. В результате полярность магнитного поля, связанного с ротором, также меняется на противоположную.

Это непрерывное изменение одного магнитного поля по отношению к другому, что вызывает вращение. Колеблющееся поле может быть связано либо со статором, либо с ротором, в то время как другое поле является статическим. Статическое поле может создаваться постоянными магнитами или постоянным напряжением. На ротор можно было установить батареи, но никто этого не сделал.Коммутация может быть внешней, от электронного или механического контроллера, вместо того, чтобы создаваться коммутатором, который является частью ротора.

Другая возможность — позволить утилите делать работу. В большинстве стран мира используется переменный ток частотой 50 или 60 Гц. Если смотреть через осциллограф, это достаточно чистая синусоида, что является следствием вращательной природы генерирующего оборудования.

Если эта переменная мощность подключается к катушкам статора, создается вращающееся магнитное поле.Ротор может иметь постоянные магниты или обмотки, запитываемые выпрямленным постоянным током, питаемые через щетку и контактное кольцо.

Скорость вращающегося поля статора называется синхронной скоростью. Частота источника питания и количество полюсов машины определяют синхронную скорость. Синхронный двигатель — это двигатель, в котором ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле в статоре. Шаговые двигатели, бесщеточные двигатели постоянного тока, двигатели с переменным сопротивлением, двигатели с регулируемым сопротивлением и гистерезисом, а также щеточные двигатели постоянного тока обычно работают как синхронные двигатели.

Синхронное название двигателей происходит от того факта, что ротор движется синхронно с магнитным полем статора, создаваемым при последовательном включении обмоток статора. В этом примере вал двигателя вращается против часовой стрелки, чтобы следовать за полями.

Напротив, асинхронный двигатель — это двигатель, в котором ротор вращается со скоростью, меньшей, чем синхронная скорость. Асинхронные двигатели — это асинхронные двигатели. В асинхронном двигателе изменяющееся магнитное поле индуцирует токи в роторе, поэтому ротор всегда будет вращаться медленнее, чем синхронная скорость магнитного поля в статоре.Разница между этими двумя скоростями называется «скольжением» и обычно выражается в процентах от синхронной скорости.

Существует много разновидностей синхронных двигателей, но во всех случаях их роторы вращаются с синхронной скоростью статора. Возможно, наиболее широко используемым синхронным двигателем является бесщеточный двигатель постоянного тока. Его статор похож на статор асинхронного двигателя, но ротор сделан из постоянных магнитов, а не из токопроводящих стержней.

Синхронные двигатели переменного тока небольших размеров служат в часах и таймерах.Поскольку скорость якоря синхронизируется с частотой питания от электросети, точность хронометража гарантирована. Коммунальные предприятия внимательно следят за своей производительностью, и если частота (которая зависит от скорости их ротора) вообще отклоняется, они корректируют скорость, чтобы вернуться в нужное русло.

Синхронные двигатели

также имеют важное дополнительное преимущество: их можно использовать для коррекции коэффициента мощности. Возбуждение синхронного двигателя можно изменять, что позволяет ему работать с отстающим, опережающим или единичным коэффициентом мощности.При минимальном токе возбуждения коэффициент мощности равен единице. В промышленных условиях большие синхронные двигатели, помимо выполнения полезной работы, могут служить для изменения вредного коэффициента мощности. Часто неработающие синхронные двигатели остаются в сети только потому, что это дешевле, чем установка конденсаторов для коррекции коэффициента мощности.

Из-за инерции покоя большой синхронный двигатель с тяжелым якорем не запускается самостоятельно. Такие двигатели могут быть оснащены внутренней индукционной обмоткой или внешним двигателем, чтобы разогнать их до нужной скорости.

Новая синхронная машина с бесщеточным ротором, использующая специальную обмотку статора

Electr Eng (2018) 100: 1797–1804

https://doi.org/10.1007/s00202-017-0662-8

ОРИГИНАЛЬНАЯ БУМАГА

Новая синхронная машина с бесщеточным ротором с обмоткой статора

Asif Hussain1 · Byung-il Kwon1

Поступила: 1 августа 2017 г. / Принята: 2 ноября 2017 г. / Опубликовано онлайн: 10 ноября 2017 г.

© Springer- Verlag GmbH Германия, часть Springer Nature 2017

Резюме В этой статье предлагается новая топология для щеточной синхронной машины без намотки ротора

(BL-WRSM), использующей

специально разработанную обмотку статора, питаемую через sin-

gle. трехфазный инвертор.В этой топологии специальная обмотка статора

, которая состоит из двух наборов последовательно соединенных обмоток

с неравным числом витков, используется для генерации

дополнительной пространственной субгармонической составляющей в статоре

магнито- движущая сила (MMF). Эта дополнительная субгармоническая составляющая

MMF (SH-MMF) используется для возбуждения полевой обмотки

BL-WRSM. Преимущество предложенной бесщеточной топологии

заключается в использовании одного инвертора по сравнению с

, сдвоенным инвертором, используемым в существующем сдвоенном инверторе BL-WRSM.

Для ротора есть две отдельные обмотки: (1) гармоническая

обмотка и (2) полевая обмотка. Обмотки гармоники и поля

соединены параллельно друг с другом через вращающийся выпрямитель

. Дополнительный компонент SH-MMF gen-

создает вращающееся магнитное поле с воздушным зазором, которое индуцирует напряжение

в обмотке гармоник. Это индуцированное напряжение затем выпрямляется и используется для подачи постоянного тока на полевую обмотку.

Двухмерный анализ конечных элементов выполняется для анализа, а

проверяет принцип действия этого нового BL-WRSM.

Ключевые слова Синхронная машина с бесщеточным ротором

(BL-WRSM) · Специальная обмотка статора · Субгармоническая составляющая

Магнитодвижущая сила (SH-MMF) · Гармоническая обмотка

· Анализ конечных элементов 2-D (FEA)

BByung-il Kwon

[email protected]

1 Кафедра проектирования электронных систем,

Университет Ханьян, Ансан 15588, Южная Корея

1 Введение

Синхронные машины с постоянными магнитами (PMSM

) были

лучший выбор для приложений, требующих высокой эффективности

, простого управления, прочной конструкции и отсутствия необходимости во внешней системе возбуждения

.Однако недавнее увеличение стоимости редкоземельных материалов с постоянными магнитами на

значительно увеличило стоимость этих машин [1]. Следовательно,

во всем мире растет поиск альтернатив

PMSM, которые требуют меньшего количества постоянных магнитов, таких как

, как синхронные машины с гибридным возбуждением [2,3] или

, которые не требуют постоянных магнитов при все.

Чтобы объединить преимущества PMSM и синхронных машин с ротором

(WRSM), в [4,5] были спроектированы синхронные машины с гибридным возбуждением

.Сравнительный анализ

между гибридными топологиями возбуждения

задокументирован в [6]. Однако растущая цена на

материалов с постоянными магнитами (ПМ) является основным препятствием для разработки

машин этого типа.

В [7] была разработана новая синхронная машина

с явнополюсным ротором с явнополюсным ротором без какой-либо катушки или магнитных сетей, и ее характеристики были проанализированы в

в сравнении с внутренним постоянным магнитом

Toyota Prius.

чистая синхронная машина.В [8] был изучен WRSM, и его производительность

была проанализирована в сравнении с PMSM

для применения в электромобиле.