Синхронные машины.

Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.

Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.

Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.

Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.

Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.

S

S

N

N

Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.

Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.

Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.

При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.

N

N

S

N

N₀

S₀

N

Ω

M_C=0

M=0

Ω

Ω

M_C

M

θ

θ

M

M_T

S₀

S₀

N₀

N₀

S

N

N

θ=0

двигатель

генератор

M=М_С

M=М_Т

Когда к валу приложим внешний момент сопротивления М_С полюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М. Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θ и электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.

Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.

Работа синхронного двигателя под нагрузкой.

При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:

1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.

2. Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.

3. Потоки рассеяния отсутствуют.

При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:

.

Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.

Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.

Поле статора индуктирует э.д.с.:

,

после ротора:

.

Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.

.

Э.д.с. индуцируется внешним полем ротора и в режиме двигателя её положительное направление противоположно направлению тока.

Сумму э.д.с. и можно заменить результирующей э.д.с.

,

Можно считать, что наводится результирующим полем машины:

.

Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить

; .

Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор

Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора опережает по фазе напряжение сети на угол .

совпадает по фазе с вектором .

Из диаграммы видно, что ток носит емкостный характер. Это происходит в случае если .

Рассмотрим векторную диаграмму для случая, когда . Будем считать, что пространственный угол остался прежним.

Уменьшение приведет к тому, что характер тока цепи статора с емкостного меняется на индуктивный. Величину можно регулировать, изменяя ток возбуждения цепи ротора. Следовательно изменением тока возбуждения ротора можно регулировать коэффициент мощности двигателя.

Схема замещения и векторная диаграмма