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.

В синхронной машине жестко связаны частота вращения , частота тока статора f и число пар полюсов

При и частоты вращения ротора . Синхронные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами при

Рис. 10-30. Общий вид ротора турбогенератора.

1 500 об/мин, называются турбогенераторами. Генераторы, которые вращаются гидравлическими турбинами, называются гидрогенераторами. При использовании равнинных рек и водохранилищ гидравлические турбины тихоходны и для получения тока промышленной частоты Гц число пар полюсов большое. Так, гидрогенераторы Братской ГЭС по построены на при

Гидрогенераторы Красноярской ГЭС на имеют и

Рис. 10-31. Ротор турбогенератора без обмоткн и одна секция обмотки возбуждения.

На рис. 10-29 показаны статор и ротор явнополюсного генератора. В пазах статора 4 положена двухслойная обмотка, подобная рассмотренной выше (рис. 10-7). Четырехполюсный ротор с обмоткой возбуждения 1 приводится во вращение первичным двигателем (на схеме не показан). Ток возбуждения подводится к обмотке 1 при помощи контактных колец 3 через щетки 2 от специальной машины постоянного тока — возбудителя.

Внешний вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рис. 10-30, а на рис. 10-31 поперечный разрез ротора без обмотки.

Характеристики: холостого хода генератора при и внешняя при , подобны таким же характеристикам генератора постоянного тока независимого возбуждения (рис. 4-22).

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).