Синхронная машина

 

Синхронная машина переменного тока используется с механизмами, требующими постоянного рабочего момента. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д.

Конструктивно синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор представляет собой постоянный магнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки возбуждения осуществляется через скользящий контакт между контактными кольцами и неподвижными щетками. Особенностью синхронной машины является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Частота f₁ эдс переменного тока в синхронной машине зависит от частоты вращения ротора и числа пар полюсов, f₁ = рn/60.Действующее значение эдс, индуцируемой в проводниках, равно

Е = 4,44fК_обмwФ₀.

Недостатком синхронного двигателя является необходимость возбудителя для запуска, так как при равенстве синхронной частоты вращения поля статора и частоты вращения поля ротора пусковой момент отсутствует. Наиболее распространен асинхронный запуск. В этом случае на полюсах двигателя размещается короткозамкнутая обмотка. При пуске статор подключают к сети. Возникающее магнитное поле индуцирует в этой обмотке эдс и токи, в результате чего создается электромагнитный момент, как и у асинхронного двигателя. При этом обмотка возбуждения отключена от источника постоянного тока, но замкнута на активное сопротивление с целью уменьшения напряжения на ее зажимах при пуске. При достижении двигателем частоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуждения переключается на источник постоянного тока. В этом случае говорят, что двигатель «втянулся в синхронизм».

Так как выражения электромагнитной мощности и момента у синхронной машины аналогичны и в двигательном, и в генераторном режимах, то достаточно рассмотреть генераторный режим синхронной машины.

При работе синхронной машины в качестве генератора можно регулировать магнитный поток Ф₀ и пропорциональную ему Е₀, изменяя ток возбуждения. Зависимость Е₀ = f(I_в) (рис.64) называется характеристикой холостого хода генератора. Остаточная эдс у синхронного генератора равна 5-10 В.При включении статора на сопротивление нагрузки по обмотке пойдет ток, который создаст поле, вращающееся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока ротора Ф₀. Совпадение токов в проводниках по фазе с эдc будет только при активной нагрузке, при индуктивной - ток отстает на 90°, при емкостной - опережает на 90°. Рост напряжения при емкостной нагрузке связан с подмагничивающим действием реакции якоря (статора), а снижение при индуктивной нагрузке обусловлено размагничиванием. Упрощенное уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора без учета поля рассеяния якоря Ф_s имеет вид:

где Е₀ – эдс холостого хода.

Основной режим работы генератора нагрузочный. Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря, получим из векторной диаграммы значение cosj между напряжением и Е₀:

сosj = Usinq/X_c I.

С учетом этого выражения получим зависимость для определения электромагнитной мощности:

Р_эм @ Р = 3Е₀Icosj y = 3(U/X_c)E₀sinq.

Момент равен отношению мощности к частоте вращения:

М = Р/w = (3UE₀/wX_c)sinq.

Выражение в скобках соответствует максимальному моменту М_mах, причем М_mах º U. Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения показаны на рис.65.В синхронном генераторе с активно-реактивной нагрузкой при определении электромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока или напряжения. Тогда выражение для момента

М = С_мФI cosj.

Синхронный генератор в качестве источника электрической энергии переменного тока включают в распределительную сеть параллельно.