Синхронные электродвигатели.

Синхронной электрической машиной называется машина переменного тока, в которой частота вращения ротора  равна частоте вращения магнитного потока статора  и, следовательно, определяется частотой тока сети , т.е.

где  - число пар полюсов обмотки статора.

Рис.52 Синхронная машина (генератор). 1 – контактные кольца; 2 – щеткодержатели; 3 – полюсная катушка ротора; 4 – полюсный наконечник; 5 – сердечник статора; 6 – вентилятор; 7 – вал

Синхронный генератор является основным типом генератора переменного тока, применяемым в процессе производства электроэнергии (рис.52).

Синхронные двигатели в отличие от асинхронных двигателей имеют строго постоянную частоту вращения, не зависящую от нагрузки. Преимуществом синхронных двигателей является возможность регулирования их коэффициента мощности и коэффициента мощности электрической системы. Синхронные машины имеют еще одно весьма важное применение – в качестве синхронного компенсатора, дающего возможность улучшить коэффициент мощности электрической системы.

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная обмотка  синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор. Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, подключенную через два контактных кольца и щетки к источнику постоянного тока. Назначение обмотки возбуждения – создание в машине основного магнитного потока. Ротор вместе с обмоткой возбуждения называется индуктором.

Если ротор синхронной машины привести во вращение с частотой вращения  и возбудить его, то поток возбуждения  будет индуктировать в обмотке якоря ЭДС с частотой

ЭДС обмотки якоря составляют симметричную трехфазную систему и при подключении к обмотке якоря генератора симметричной нагрузки, эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора. При нагрузке обмотка якоря создает свое вращающееся магнитное поле, которое вращается в том же направлении, что и ротор с частотой

Поля якоря и ротора вращаются с одинаковой частотой и неподвижны друг относительно друга. Синхронная машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке якоря трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей якоря и ротора, поле якоря увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в том же направлении, что и поле якоря.

Статор синхронного генератора состоит из чугунной станины – корпуса, внутри которого находится сердечник статора, собранный из отдельных листов электротехнической стали, изолированной между собой лаком или тонкой бумагой. В пазы сердечника укладывают обмотку статора из медного изолированного провода.

Роторы синхронных генераторов бывают двух типов – явнополюсными и неявнополюсными.

Явнополюсными выполняют роторы синхронных генераторов с небольшим числом оборотов, обычно соединяемых с тихоходными гидротурбинами, и генераторов небольшой и средней мощности.

Роторы неявнополюсные применяют в генераторах с большим числом оборотов (3000 об/мин) и большой мощности, обычно соединяемых на одном валу с паровыми турбинами, называют эти генераторы турбогенераторами. Синхронная машина обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Конструктивно синхронный двигатель ничем не отличается от синхронного генератора.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем полюсов ротора.

При работе синхронной машины в режиме двигателя к статору подводят трехфазный переменный ток, а к обмотке возбуждения ротора – постоянный ток.

Трехфазный переменный ток создает в обмотке статора вращающееся магнитное поле.

Представим себе магнитное поле статора в виде круга с явно выраженными полюсами на нем, вращающегося со скоростью. Эти полюса магнитными силовыми линиями связываются с полюсами ротора противоположной полярности.

Вращающееся магнитное поле увлекает за собой полюса ротора и заставляет их вращаться с такой же скоростью. Скорость вращения ротора, равную скорости вращающегося магнитного поля, называют синхронной скоростью. При нагрузке ротор синхронного двигателя отстает на некоторый угол  от вращающегося магнитного поля, причем с увеличением нагрузки угол  увеличивается.

Вращающий момент синхронного двигателя пропорционален приложенному напряжению. Ротор вращается с син­хронной скоростью, не зависящей от нагрузки, а при увеличении нагрузки изменяется только угол .

Метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т.е. средний момент за период будет равен нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как ротор его, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки. Обычно эту клетку изготовляют из латуни с целью увеличения сопротивления стержней. При включении трехфазной обмотки якоря в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током в пусковой обмотке (рис. 9.61, а), создает электромагнитные силы  и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток; последнее может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента – не более 50% от номинального – при сравнительно небольшой мощности двигателя.

При асинхронном пуске в ход синхронных двигателей они обычно непосредственно подключаются к сети, если мощность сети достаточно велика и для нее допустимы большие пусковые токи, которые достигают в начале пуска 5÷7-кратных значений по сравнению с номинальными. Если же необходимо уменьшить пусковые токи, то пуск производится при пониженном напряжении, так же как мощных асинхронных короткозамкнутых двигателей.

В случае не вхождения двигателя в синхронизм (при затягивании выше описанных процессов), двигатель останавливают.

Порядок остановки синхронного двигателя следующий:

1. уменьшают общий ток статора, устанавливая нормальное возбуждение;

2. отключают статор от сети;

3. после отключения статора отключают возбуждение, замыкая ротор на разрядное сопротивление.

Это подготовка двигателя к следующему пуску. Трудность пуска в ход – один из основных недостатков синхронного двигателя.

БВУ – бесщеточное возбудительное устройство, применяется в СТДП синхронных трехфазных двигателей продуваемых под избыточным давлением. БВУ - предназначено для питания обмотки возбуждения и автоматического управления током возбуждения СТДП в продолжительных, переходных и аварийных режимах. Состоит из станции управления и возбудителя (рис.53).

Станция управления (СУ) с помощью понижающего трансформатора и диодного моста преобразует переменный ток в постоянный. При асинхронном запуске СТДП выход СУ замыкается на гасящий резистор. При достижении оборотов ротора скольжения менее 5% СУ переключает свой выход с резистора на ОВВ – обмотку возбуждения возбудителя (находящуюся на статоре, рис.54).

Возбудитель (генератор постоянного тока) – представляет собой обращенный синхронный трехфазный генератор с вращающимся мостовым выпрямителем. Обмотки генератора находятся на роторе СТДП и при асинхронном пуске вращаются вместе с ним. При достижении скольжения менее 5%, когда запитывается ОВВ, вокруг ОВВ создаётся магнитное поле, которое пронизывает обмотки генератора и наводит в них переменную ЭДС, которая затем выпрямляется трёхфазным выпрямительным мостом и подаётся на ОВ, в результате ротор СТДП втягивается в синхронизм.

Рис. 53 Бесщеточное возбуждение СТДП

 

Конденсатор шунтирует через себя переменную гармонику, играя роль фильтра. Цепочки, состоящие из резисторов и управляемых тиристоров, предназначены для защиты ОВ от перенапряжения. Когда на выходе генератора или ОВ напряжение превышает пороговое, тиристоры открываются, и источник ЭДС замыкается на малое сопротивление, протекающие большие токи вызывают понижение напряжения. Станция управления также обеспечивает автоматическое

 

Рис.54 Бесщеточное возбудительное устройство

 

гашение поля при отключении двигателя (замыкается на гасящий резистор.)

При понижении напряжения сети на 15 – 20% станция обеспечивает форсировку тока возбуждения до 1,5 I_ном., при более глубокой посадке напряжения (ниже 0,6 – 0,7 U_ном.) срабатывает ЗМН.

Станция также форсирует ток возбуждения при увеличении нагрузки на валу двигателя, при снижении нагрузки станция уменьшает ток возбуждения. Таким образом, посредством регулировки тока возбуждения, станцией постоянно поддерживается высокий  – около 90% в отличие от АД.

Цифровые возбудительные устройства синхронных машин предназначены для управления током возбуждения высоковольтных синхронных электродвигателей и турбогенераторов мощностью до 12 500 кВт и 60 000 кВт соответственно с обеспечением функций энергосбережения и повышения устойчивости синхронного режима.