Электрических машин

Синхронные машины используются в качестве генераторов переменного тока, электродвигателей и синхронных компенсаторов.

Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помощью гидротурбин и носят название гидрогенераторов. Кроме электростанций синхронные генераторы находят применение в установках, требующих автономного источника питания (автомобили, передвижные электростанции, ветроустановки).

Синхронные двигатели переменного тока используются с механизмами средней и большой мощности при редких пусках, требующими постоянного рабочего вращающего момента. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и так далее.

Синхронный компенсатор предназначается для улучшения коэффициента мощности электротехнических установок (компенсации индуктивной реактивной мощности).

Конструктивно синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор (Рис. 4.6) представляет собой многополюсный электромагнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки возбуждения осуществляется через скользящий контакт между контактными кольцами и неподвижными щетками. На рис.4.6 показан ротор синхронной машины с явно выраженными полюсами. Быстроходные машины могут иметь ротор с неявно выраженными полюсами. Особенностью синхронной машины является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Если за счет внешнего источника механической энергии механически вращать ротор, то частота ЭДС переменного тока в синхронной машине будет определяться частотой п вращения ротора и числом р пар полюсов, f = рп/60. Действующее значение ЭДС Е_С , индуктируемой в проводниках фазной обмотки статора, будет зависеть от магнитного потока ротора Ф_Р , частоты его вращения п и конструктивных особенностей машины, учитываемых постоянным коэффициентом С_Е.

(4.16)

Если обмотки статора запитать током от внешнего источника, то в статоре образуется вращающееся магнитное поле. При отсутствии внешнего вращающего момента взаимодействие вращающегося поля статора с магнитным полем ротора, питаемого постоянным током, вызывает появление вращающего момента, под воздействием которого ротор будет вращаться в том же направлении, что и магнитное поле статора.

Схематично режимы работы синхронной машины, подключенной к сети, показаны на рис.4.7. В режиме генератора ось магнитных полюсов ротора будет повернута относительно оси полюсов статора на некоторый угол Θ₁˂ 0 в направлении вращения. Магнитные полюсы ротора будут «тянуть» за собой полюсы статора. Такое отставание поля статора свидетельствует о наличии магнитного тормозящего момента, на преодоление которого затрачивается механическая энергия внешнего двигателя.

Рис. 4.6 – Ротор синхронной машины: 1 – полюсы; 2 - полюсные катушки; 3 - сердечник; 4 – контактные кольца

В результате происходит преобразование энергии механического движения внешнего двигателя в электрическую энергию генератора, которая будет поступать в сеть.

Если приложить к валу машины тормозящий момент механической нагрузки, то ось магнитных полюсов ротора будет отставать от от оси полюсов вращающегося поля статора на некоторый угол Θ₂ > 0. Электромагнитные силы взаимодействия токов обмотки статора и магнитного поля ротора будут увлекать ротор в направлении вращения. Будет создаваться вращающий момент, посредством которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую энергию, отдаваемую приводной машине.

Рис. 4.7 – Режимы работы синхронной машины

При использовании синхронной машины в качестве трехфазного генератора его активная мощность

P_Г = 3Е_С I cosφ = 3R_Ф I² + 3UIcosφ, (4.17)

где Е_С - ЭДС фазной обмотки статора; I – ток одной фазной обмотки; φ – угол сдвига фаз между ЭДС и Е_С и током I (с учетом влияния нагрузки); R_Ф – активное сопротивление одной фазной обмотки; U – напряжение на выводах фазной обмотки.

Схема замещения одной фазы статора, построенная согласно выражению (4.17), приведена на рис.4.8.

Учитывая, что cosφ практически всегда меньше единицы, номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S = U I . Коэффициент полезного действия генератора (КПД) равен отношению его активной мощности Р_Г к подводимой механической мощности Р_М первичного двигателя (паровой турбины, дизельного двигателя и др.):

η = Р_Г / Р_М . (4.18)

Рис. 4.8 – Схема замещения одной фазы статора

Механическая мощность будет складываться из полезной мощности генератора и мощности потерь (Р_ПОТ):

Р_М = Р_Г + Р_ПОТ .

Мощность потерь учитывает механические потери энергии (трение в подшипниках, трение воздуха и др.) и электрические потери: в обмотках возбуждения ротора; потери в стали магнитопроводов; потери в обмотках статора.

Механические потери и потери в обмотках возбуждения ротора носят постоянный характер, поэтому при снижении нагрузки генератора ниже номинальной его КПД и КПД первичного двигателя будут также снижаться.

Снижение cosφ также приводит к уменьшению КПД системы «первичный двигатель – генератор».