Загальні відомості про спеціалізовані синхронні машини.

Порівняння синхронних та асинхронних двигунів.

При вирішенні питання відносно того, який двигун доцільніше використати у приводі робочої машини – АД чи СД, потрібно мати на увазі наступне:

1. Живлення обмоток статорів АД і СД здійснюється від мережі трифазної напруги. Разом з тим, для живлення роторної обмотки СД ще потрібно мати джерело постійного струму.

2. Пуск СД складніший ніж АД. У відношенні пускових властивостей АД з фазним ротором мають переваги перед СД.

3. Синхронний двигун має абсолютно жорстку робочу ділянку механічної характеристики, АД – жорстку. Іншими словами, частота обертання ротору СД не залежить від зміни навантаження на валу машини, АД – при зміні навантаження на валу машини мають місце певні коливання частоти обертання ротора.

4. В АД є можливість регулювати частоту обертання ротора за кількома різними способами. Застосування цих способів для регулювання частоти обертання ротору СД або принципово неможливе, або пов’язано із великими конструктивними і експлуатаційними труднощами. Тому СД відносять до двигунів із нерегульованою частотою обертання ротора.

5. Струмом збудження СД можна у широких межах (від –1 до +1) регулювати cosj двигуна. У АД cosj завжди додатній.

6. Реверсування і гальмування ротору СД здійснюють аналогічно як і у АД.

7. Внаслідок малих втрат потужності у роторі і обмотці статора, при роботі з високим cosj ККД у СД більший, а маса і габарити менші, ніж у АД такої ж потужності.

На принципу дії синхронної машини базується ряд електротехнічних пристроїв, які широко використовуються для компенсації реактивної потужності, а також в засобах автоматизації і спеціалізованих електроприводах.

Так, для збільшення cosj мереж потужних промислових підприємств широко використовуються так звані синхронні компенсатори СК. Це фактично СД, якій працює у перезбудженому режимі без механічного навантаження. Оскільки СК не несуть навантаження, їх вали виготовляють легшими, ніж у двигунів, що сприяє зменшенню механічних втрат у пристрої. Крім того, у порівнянні із двигунами, СК мають значно зменшений повітряний зазор між осердями статора і ротора – це також з метою зменшення втрат у пристрої, і значно більший переріз роторної обмотки – для того щоб забезпечити тривалу роботу пристрою в режимі перезбудження.

Порівняно з конденсаторами, які також застосовують для підвищення cosjмереж, СК дешевші і мають менші габарити при тій самій потужності. Хоча у СК і є втрати потужності, проте з економічної точки зору вони цілком себе виправдовують.

У приладобудуванні та у засобах автоматизації, для забезпечення сталої частоти обертання механізмів, використовують магнітоелектричні і реактивні синхронні двигуни.

На відміну від звичайної СМ ротор магнітоелектричної СМ, яку переважно використовують у якості двигуна і менше як генератор, являє собою постійний магніт. Магнітоелектричні синхронні двигуни мають порівняно високі енергетичні показники (ККД і cosj) і підвищену стійкість роботи у синхронному режимі. При вмиканні у одну мережу такі двигуни здатні забезпечувати строго синфазну роботу кількох виконавчих механізмів. Синхронні генератори з постійними магнітами є малопотужними машинами. Їх використовують тільки для автономної роботи і обов’язково на стале навантаження. Це обумовлено саме відсутністю роторної обмотки і, отже, неможливістю регулювання напруги на затискачах такого генератора.

До недоліків магнітоелектричних СМ слід віднести їх відносно високу вартість, обумовлену складністю виготовлення і обробки постійних магнітів. Для виготовлення магнітів тут використовують спеціальні сплави (алні, алніко, магніко і т. ін.), які мають велику коерцитивну силу.

Особливість синхронних реактивних двигунів СРД (рис. 4.51, а) полягає у відсутності обмотки збудження у виконаного із магнітом’якої (з високою магнітною проникністю) сталі, обов’язково явнополюсного ротора. Найбільш часто в СРД використовують ротор будова якого показана на рис. 4.51, б. Він відрізняється від КЗР АД наявністю впадин-вирізів на циліндричній поверхні, які утворюють явно виражені полюси. Короткозамкнена обмотка, а її може і не бути, тут виконана по типу білячого колеса і забезпечує тільки пуск двигуна. Далі обертове поле статора намагнічує ротор і він швидко входить у синхронізм.

В якості виконавчих двигунів, де електричні сигнали (імпульси напруги) перетворюються в кутові або лінійні дискретні (стрибкоподібні) перемішання використовуються шагові двигуні ШД. За будовою їх поділяють на ШД з активним (збудженим) і реактивним ротором. Так званий активний ротор може мати обмотку збудження (як у СД) або постійні магніти (як у магнітоелектричних двигунів). Реактивний ротор виконують із магнітом’яких матеріалів аналогічно як у СРД. Обмотку керування ШД звичайно розташовують на статорі. Вона може бути однофазною, але частіше статор ШД має трифазну обмотку. Принцип дії шагового двигуна покажемо на прикладі реактивного трифазного ШД, статор якого має шість явно виражених полюсів (по два полюси на фазу), а ротор – два полюси (рис. 4.52).

При проходженні імпульсу струму в фазі 1 обмотки керування ротор займає положення, яке відповідає дії електромагнітних сил, тобто по вісі полюсів 1–1. В момент часу t₁, коли з’явиться імпульс струму у фазі 2, на ротор одночасно діють намагнічуючі сили полюсів 1–1 та 2–2. Ротор повернеться на один шаг – кут a = 30°, і займе проміжне положення між полюсами 1–1 та 2–2. В момент t₂, струму у фазі 1 немає і ротор зробить ще один крок – займе положення по вісі полюсів 2–2. Далі, в момент t₃ коли з’явиться імпульс струму у фазі 3 і на ротор одночасно знову будуть діяти дві намагнічуючи сили але вже полюсів 2–2 та 3–3. він займе проміжне положення між цими полюсами. У підсумку ротор двигуна повернувся на 90°, тобто двигун відпрацював половину циклу. Далі шаги ротора відбуваються аналогічним чином, а цикли (поворот ротора на 180°) можуть багатократно повторюватися.

Зменшення шагу – кута a, сприяє підвищенню точності роботи ШД. Так, якщо у двигуні, який розглядається, застосувати чотирьох полюсний (у перерізі хрестоподібний) ротор, то шаг у двигуна буде a = 15°. Тут же відмітимо, що у порівнянні із розглянутим двигуном ШД з активним ротором мають більший обертальний момент і здатні забезпечувати фіксацію ротора при відсутності керуючого сигналу. Незалежно від виду ШД всі вони працюють у комплекті із комутатором. Цей пристрій перетворює задану послідовність керуючих імпульсів в m-фазну систему прямокутних імпульсів напруги.

4.2.10. Питання для самоперевірки за розділом “Синхронні машини”

1. Яку будову має синхронна машина і на чому базується принцип її дії?

2. У чому полягає відмінність фізичних процесів, які відбуваються у синхронній машині при роботі в режимі генератора у порівнянні з роботою машини в режимі двигуна?

3. Як з’єднують статорні обмотки синхронного генератора і синхронного двигуна?

4. Якими є основні характеристики синхронного генератора?

5. Які умови включення синхронних генераторів на паралельну роботу?

6. Як здійснюють пуск синхронного двигуна?

7. Якими є основні характеристики синхронного двигуна?

8. Від чого залежить величина коефіцієнту використання потужності синхронного двигуна?

9. Які переваги і недоліки має синхронний двигун у порівнянні з асинхронним?

10. У чому полягає відміна синхронного реактивного двигуна від звичайного синхронного двигуна?

Синхронні машини

Це машини , у яких частота обертання ротора дорівнює частоті обертання магнітного поля статора : п₁=п_2.

Широке застосування мають синхронні генератори , вони вироюляють енергію на епектростанціях .

Одинична потужність :

На ГЕС – 600000 кВт

На ТЕС – 1,2 млн. кВт

Малопотужні СГ застосовують на літаках , автобусах , автомобілях , тракторах.

Потужні синхронні двигуни застосовують в електроприводах компресорів , млинів , вентиляторів , насосів.

Будова синхронної машини

Складається із статора та ротора .

Статор СМ такий , як і АсМ складається із станини , магнітопроводу у вигляді порожнинного циліндра та трифазної обмотки.