Синхронні машини

Синхронною називають електричну машину змінного струму у якої, незалежно від навантаження, частота обертання ротора n₂ строго пов’язана з частотою струму мережі (статорних обмоток) f₁ і кількістю пар полюсів р статора:

При промисловій частоті f₁ = 50 Гц , залежно від кількості пар полюсів статора частота обертання ротора машини може дорівнювати 3000, 1500, 1000, 750, 600об/хв. і т. ін.

На підприємствах харчової та переробної промисловості синхронні машини (СМ), в основному, працюють в режимі двигуна і тільки там, де є власні ТЕЦ, наприклад, на цукрових чи потужних спиртозаводах – в режимі генератора.

Синхронні двигуни (СД) використовують у потужних приводах робочих машин при сталому навантаженні, а також там, де незалежно від навантаження потрібно підтримувати строго задану частоту обертання вала робочої машини. Їх виготовляють потужністю від часток Втдо тисяч кВт для широких діапазонів синхронних швидкостей і напруг живлення.

Синхронні генератори (СГ) застосовують для виробництва змінного струму. Генератори, ротор яких приводиться у рух паровими чи газовими турбінами, називають турбогенераторами, а гідротурбінами – гідрогенераторами. Це, як правило, потужні машини. Так, потужність сучасних трифазних СГ сягає десятків – сотень тисяч кВт. Турбогенератори звичайно мають більшу частоту обертання (1500чи 3000 об/хв.), а гідрогенератори меншу. Тут же наголосимо, що з поширенням випрямлячів малопотужні СГ суттєво потиснули позиції генераторів постійного струму ГПС у багатьох галузях господарства. Наприклад, якщо всього біля десятка років тому у системах автономного живлення на підприємствах і в побуті, для зарядки акумуляторів, а також у всіх типах автомобілів і т. ін., використовували ГПС, то зараз виключно СГ.

7.2.1. Будова трифазної синхронної машини

Синхронна (СГ та СД), як і всі інші електричні машини, складається з двох основних частин: нерухомої частини (рис. 4.35) – статора 1 і рухомої – ротора 2. Будова статора СМ принципово не відрізняється від будови статора асинхронної машини. Він складається із станини в якій розташоване шихтоване осердя. У пази осердя укладені три обмотки зсунуті одна по відношенню до іншої на 120°. Початки та кінці статорних обмоток виведені на щиток машини, розташований на зовнішній поверхні статора, де позначені, відповідно, у СГ – А, В, С та X, Y, Z, тобто як у трансформатора, у СД – C₁, C₂, C₃ та C₄, C₅, C₆, тобто як у асинхронного двигуна.

Рис. 4.35. Синхронна машина.

7.2.2. Принцип дії та робочі характеристики синхронного генератора

Синхронні генератори використовують для отримання трифазного змінного струму. Відомо, що для отримання синусоїдної ЕРС на затискачах статорних обмоток машини, потрібно мати синусоїдний розподіл магнітної індукції у повітряному зазорі між статором і ротором. Для цього полюсним наконечникам СГ надають таку форму, при якій повітряний зазор (магнітний опір) на краях полюсів статора і ротора був би трошки більшим ніж у середині полюсів. Тоді під серединами полюсів магнітна індукція буде мати більше, а з країв менше значення.

В результаті дії постійного струму у роторній обмотці збуджується магнітне поле ротора, яке при обертанні ротораз частотою n₂ обертається разом з ним. Отже в СГ (СМ), на відміну від АД частота обертання поля статорадорівнює частоті обертання ротора(n₁ = n₂= n). Обертове поле статора індукує у статорних обмотках три синусоїдні ЕРС з частотою f₁:

які зсунуті між собою за фазою на 2p/3 (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Електрорушійні сили синхронного генератора.

Діюче значення ЕРС у фазі СГ можна розрахувати за формулою:

де W₁ – кількість витків фази статора; Ф_2m – амплітуда магнітного потоку, одного полюсу ротора.

У сучасних СГ діюче значення ЕРС складає десятки кВ, а опір статорних обмоток всього десятки Ом.При роботі на холостому ході (без навантаження) коли статорні обмотки СГ з’єднанні у трикутник, може скластися враження, що машина знаходиться у режимі короткого замикання. Між іншим, оскільки фазні ЕРС зсунуті між собою на 120°, то за другим законом Кирхгофа для будь-якого моменту часу маємо:

До того ж, при відсутності навантаження струм у обмотках генератора дорівнює нулю.

Потрібно зауважити, що таке вірно і, отже, ніякого короткого замикання немає, але тільки за умов що три статорні обмотки виконані абсолютно однаково, що вони зсунуті між собою по колу статора точно на 120° і що в них діють строго синусоїдні ЕРС. Оскільки ж на практиці виконати всі ці умови проблематично, то обмотки СГ звичайно з’єднують у зірку.

З результатів аналізу формули розрахунку фазної ЕРС випливає, що величину Е можна регулювати тільки шляхом зміни амплітуди магнітного потоку ротора Ф_2т, тобто зміною струму ротора (струму збудження). Залежність ЕРС статора від струму збудження I₂ при постійній частоті обертання ротора (n₂= n₁ = n = const) і відсутності струму навантаження (статора) I₁ = 0 називають характеристикою холостого ходу СГ. Її якісний вигляд показаний на рис. 4.38. Фактично, залежність Е = f(I₂) являє собою криву намагнічування сталі статора. Наявність залишкової електрорушійної сили Е₀, а також розбіжність між кривими Е(I₂), які отримують при збільшенні і зменшені I₂ (на рис. 4.38 показані стрілками) пояснюється залишковим намагнічуванням сталі.