Файл: Пиотровский Л.М. Электрические машины учебник.pdf

Р азд е л пят ы и

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Глава т р и д ц а т ь т р е т ь я ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИНХРОННЫХ МАШИНАХ

33-1. Принцип работы синхронной машины

Здесь рассматривается трехфазная синхронная машина, рабо­ тающая в режиме генератора и возбуждаемая со стороны ротора постоянным током.

Возбужденный ротор синхронной машины приведен во вращение со скоростью п в таком направлении, чтобы порядок следования фаз статора был А — В — С. Если иметь в виду обмотку на рис. 21-11, то для этого нужно привести ротор во вращение по часовой стрелке. Поле ротора наводит в обмотке статора э. д. с. и токи с частотой / = рп/60. Как это уже известно (§ 21-5) и как видно на рис. 21-11, в, г, <9, трехфазный ток в обмотке статора создает магнитное поле, первая гармоническая которого вращающееся в том же направлении и с той же скоростью п, что и ротор.

Чтобы выяснить характер взаимодействия нолей статора и ротора синхронной машины, проще всего воспользоваться моделью этой машины.

На рис. 33-1 поля ротора и статора изображены для ясности в виде двух систем полюсов, вращающихся с одинаковой скоростью

и оси обоих полей совпадают (рис. 33-1, а). Так как магнитные линии обладают упругостью, то участки линий в зазоре показаны в виде пружин, оси которых совпадают с направлением полей ротора и статора.

Если синхронная машина приводится во вращение приводным двигателем и работает в режиме генератора, то при заданных на рисунке полярности полюсов ротора и направлении его вращения в обмотке статора (на рис. 33-1, б она изображена кружком) наводится э. д. с. и течет ток (активная составляющая) за плоскость чертежа. Этот ток создает ноле, направленное встречно относительно ноля

381

полюса ротора). При наложении одного поля на другое получается картина результирующего поля статора на рис. 33-1, в, где видно, что ось этого поля сместилась относительно оси поля ротора в на­ правлении, противоположном направлению вращения ротора на

нет равным по величине моменту Мг. После этого дальнейшее увеличение угла 0 прекратится, и генератор будет продолжать работать с прежней синхронной скоростью п, но с новым, в данном случае большим, углом 0. При чрезмерном увеличении момента Мх электромагнитное взаимодействие между статором и ротором может

382

бытъ нарушено. В этом случае поля статора п ротора начинают вращаться с разными скоростями и, следовательно, постоянное взаимодействие между ними становится невозможным, т. е. генера­ тор выпадает из синхронизма.

Если синхронная машина работает двигателем при тех же, что на рис. 33-1, полярности полюсов ротора и направлении его враще­ ния, то ток (активная составляющая) в обмотке статора изменяется но направлению, что объясняется совершенно так же, как в двига­ телях постоянного тока (см. рис. 8-1). Соответственно этому изме­ няется действие поля статора по отношению к полю ротора, а именно:

щего поля теперь имеет вид, показанный на рис. 33-1, г. Ось резуль­ тирующего поля статора сместилась относительно оси поля ротора на угол Ѳ по направлению вращения ротора, вследствие чего изме­ нился наклон магнитных линий в зазоре и знак момента Мэм. Теперь этот момент является вращающим.

Таким образом, при работе синхронной машины генератором ось поля ротора опережает ось поля статора на угол +0 , а при ее работе двигателем — отстает от оси поля статора на угол — Ѳ.

При перегрузке синхронный двигатель, так же как синхронный генератор, может выпасть из синхронизма.

33-2. Основные конструктивные элементы синхронных машин

А. Явнополюсные синхронные машины. Наиболее распростра­ ненная конструктивна'я схема таких машин показана на рис. 18-3, а, индуктор является вращающейся частью с выступающими полюсами. В машинах мощностью до 100 кет при скорости вращения 750— —1500 об/мин полюсы крепятся болтами к втулке, насаженной на вал. При большем количестве полюсов сердечник ротора выполняют в виде колеса, по ободу которого проходит магнитный поток (рис. 33-2). В машинах средней и большой мощности полюсы крепятся к сердеч­ нику ротора с помощью Т-образных хвостов. Для катушек обмотки возбуждения применяется прямоугольный провод, а в крупных машинах — полосовая медь. В полюсных наконечниках разме­ щаются медные или латунные стержни, соединенные по торцам полюсных наконечников медными дугами. Стержни и дуги образуют короткозамкнутую обмотку ротора, предназначенную для создания асинхронного момента. Явнополюсные синхронные машины мощ­ ностью до 10 кет и одноякорные преобразователи выполняются но конструктивной схеме машин постоянного тока, вместо коллектора на вращающемся якоре расположены три контактных кольца для соединения обмотки якоря с сетью.

Синхронные машины обычно имеют радиальную вентиляцию (рис. 18-2 и 33-2). Воздух подается в машину двумя вентиляторами, расположенными вблизи торцов сердечника ротора. После выхода из вентилятора воздух делится на две струи, одна из которых охла­ ждает лобовые части обмоток, а вторая направляется между катуш-

383

нами ротора к зазору и затем проходит через радиальные каналы сердечника статора. В пространстве между сердечником статора и корпусом обе струи объединяются, и горячий воздух выходит через отверстия с боковых сторон корпуса.

Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным располо­ жением вала широко используются как генераторы и двигатели.

Рис. 33-2. Явнополюсная синхронная машина

1 —• пакеты сердечника статора, 2 — обмотка статора, з — успокоительная обмотка, 4 — обмотка возбуждения, 5 — лопасти вентилятора, в — сердечник полюса, 7 — обод ротора, S — контактные кольца, 9 — подшипник, 10 — вал

Приводными двигателями для генераторов служат паровые машины

изначительно чаще двигатели внутреннего сгорания и гидравличе­ ские турбины. Паровая машина имеет небольшую скорость вращения, а для уменьшения размеров генератора его скорость вращения выби­ рается равной 750—1500 об/мин, поэтому между паровой машиной

игенератором вводится ременная передача. Двигатель внутреннего сгорания, как правило, соединяется непосредственно с генератором, который в этом случае выполняется с одним подшипником. Второй

опорой для ротора генератора служит подшипник приводного дви­

384

гателя. Момент на валу поршневых машин содержит значительную переменную составляющую, это приводит к необходимости устанав­ ливать маховик или же выполнять ротор синхронного генератора с увеличенным моментом инерции. По такой же конструктивной схеме выполняются синхронные двигатели, предназначенные для привода компрессоров.

Гидравлические турбины' имеют небольшую скорость вращения 60—500 об/мин и соединяются непосредственно с генераторами. Чем меньше напор воды (высота плотины) и чем больше мощность турбины,

Рис. 33-3. Погружной синхронный генератор

1 — водонепроницаемая оболочка, 2 — направляющий подшипник, з — статор гене­ ратора, 4 — ротор генератора, S — вал, в — упорный подшипник, 7 — направляю­ щий аппарат турбины, 8 — рабочее колесо турбины

тем меньше оптимальная скорость вращения (при которой к. п. д. турбины достигает максимального значения). При таких скоростях вращения генераторы имеют много полюсов, 'большой диаметр и сравнительно небольшую длину. Для привода генераторов мощ­ ностью до 30 Мет применяются прямоточные» турбины, в которых поток воды не имеет резких поворотов. Турбина и генератор устанав­ ливаются внутри плотины, отсутствие машинного зала значительно уменьшает размеры и стоимость электростанции. Генератор в этом случае выполняется проточным или погружным. В проточном гене­ раторе индуктор насажен на рабочее колесо турбины и поток воды проходит внутри индуктора. Недостаток этого исполнения — слож­ ность устройства уплотнений, препятствующих попаданию воды к сердечникам и обмоткам генератора. В настоящее время большее распространение получили погружные генераторы (рис. 33-3), отделенные от водяного потока непроницаемой оболочкой. Ротор гене­ ратора поддерживается двумя радиальными подшипниками. Давле­

ние рабочего колеса турбины и случайные осевые силы противопо­ ложного направления воспринимаются двусторонним упорным под­ шипником. Высокое использование активных материалов, обуслов­ ленное малыми размерами генератора, вызывает необходимость интенсивного охлаждения. Кроме воздуха, в качестве охлаждающего агента может быть использована вода, циркулирующая по трубчатым проводникам обмоток статора и ротора.

386