10-14. Синхронные машины
На современных электрических станциях механическая энергия превращается в электрическую почти исключительно синхронными генераторами.
В этих машинах статор устроен подобно статору асинхронной машины (рис. 10-1, 10-7, 10-29), а ротор, приводимый во вращение паровой или водяной турбиной, несет на себе обмотку возбуждения, обтекаемую постоянным током
как у машин постоянного тока.
Создаваемый этим током магнитный поток возбуждения
вращается с неизменной частотой
и наводит в трехфазной обмотке статора э. д. с., величина которой определяется, как уже известно, формулой
Рис. 10-29. Схема синхронного генератора.
Если зажимы обмотки статора замкнуть на сопротивление, то в фазах обмотки создаются три тока
д. с. этих токов
суммируясь, как было выяснено ранее (§ 10-2), образуют результирующую м. д. с.
. Эта м. д. с. создает поток статора или якоря
вращающийся с одной частотой с ротором. По этому признаку машина называется синхронной.
Однако процентное изменение напряжения
у синхронного генератора достигает величины (20-40)
.
Дело в том, что поток реакции якоря
показанный замыкающимся поперек полюса (рис. 10-29), как в машине постоянного тока, у синхронной машины при отстающем токе, т. е. при
замыкается частично вдоль полюсов встречно потоку
Рис. 10-32. Схема пуска синхронного двигателя.
Рис. 10-33. Диаграмма работы синхронного двигателя с перевозбуждением.
Поэтому происходит сильное уменьшение результирующего потока
и уменьшение э. д. с.
, а значит, и U.
Синхронная машина может работать и в режиме двигателя для привода механизмов, не создающих резких перегрузок, например, насосов и воздуходувок, с успехом заменяя асинхронные двигатели при мощностях в сотни и тысячи киловатт. При способности к перегрузке
синхронный двигатель обладает ценным свойством работать при
равном единице. На рис. 10-32 показана схема пуска синхронного двигателя. Кроме обмотки возбуждения 1, в полюсных наконечниках ротора заложена короткозамкнутая обмотка 4, как у асинхронного двигателя.
Перед пуском обмотка возбуждения 1 замыкается переключателем 2 на сопротивление 3. Статор 5 подключается рубильником 6 к питающей сети и вращающееся магнитное поле статора, наводя токи в короткозамкнутой обмотке ротора 4, разгоняет ротор, как у асинхронного двигателя до частоты вращения
як
Для того чтобы ротор начал вращаться с частотой
т. е. синхронно, нужно установить в обмотке 1 постоянный ток. С этой целью перекидывают ножи переключателя 2 вниз, на зажимы возбудителя
и ротор автоматически входит в синхронизм, после чего двигатель можно нагружать.
Диаграмма работы двигателя показана на рис. 10-33. Вращающийся поток ротора
наводит в обмотке статора противо-э. д. с.
Если пренебречь активным сопротивлением обмотки, считая
да
то напряжение сети
(рис. 10-33, а). При холостом ходе мощность
очень мала и равна потерям холостого хода двигателя. Ток холостого хода
активный и тоже мал,
при соответствующем возбуждении может быть равен единице. При росте нагрузки на валу ток увеличивается до значения
оставаясь активным.
Если увеличивать ток возбуждения
(рис. 10-33, б), то поток
растет и э. д. с. увеличивается до значения
. Тогда в обмотке статора появляется дополнительный ток
Этот ток целиком реактивный, так как сопротивление обмотки статора
да
Ток
отстает от ДЕ на угол
90° (рис. 10-33, б) и опережает напряжение
на 90°, а суммарный ток двигателя
опережает напряжение
на угол
.
Очень часто устанавливают режим синхронного компенсатора, когда двигатель работает без нагрузки на валу, но с опережающим током
(рис. 10-33, б). Если такая машина включена в сеть с индуктивной нагрузкой, то она, работая как конденсатор, создает в сети условия, близкие к тем, когда получается резонанс токов (см. § 6-11). Синхронный компенсатор имеет преимущество перед статическим конденсатором в том, что величину опережающего тока можно менять, изменяя ток возбуждения.
При малых мощностях, не превышающих нескольких сот ватт, синхронные двигатели конструируются без обмотки возбуждения, называются реактивными синхронными двигателями и применяются для привода механизмов, требующих постоянной частоты вращения (звуковое кино, телемеханика).