Синхронная машина - машина переменного тока, у которой скорость ротора при постоянной частоте тока в обмотках статора сохраняется постоянной и не зависит от величины нагрузки на валу машины.
Синхронные машины применяют главным образом для преобразования механической энергии первичных двигателей в электрическую, т е. в качестве генераторов электрической энергии переменного тока. Однако синхронные машины используют также в режимах двигателей, компенсаторов реактивной мощности и других устройств.
В промышленных установках наибольшее распространение получили трехфазные синхронные машины. Однофазные синхронные двигатели нашли применение в электроприводах компрессоров, мощных вентиляторов, двигатели малой мощности в различных автоматических приборах и т. п.
Устройство синхронной машины
Трехфазная синхронная машина состоит из неподвижного статора и вращающегося внутри него неявно- или явнополюсного ротора, между ними имеется воздушный зазор, радиальный размер которого определяется номинальной мощностью машины, ее быстроходностью и изменяется от долей до нескольких десятков миллиметров.
Статор такой машины по устройству практически не отличается от статора асинхронной машины, имеет трехфазную обмотку, начала фаз которой обозначают C1, С2, С3 и концы - С4, С5, С6 и выводят к зажимам с аналогичными обозначениями, что позволяет соединять фазы обмотки статора треугольником или звездой.
Фазы обмотки статора трехфазного синхронного генератора соединяют преимущественно звездой, так как это позволяет при трехфазной четырех проводной сети располагать линейными и фазными напряжениями, отличающимися друг от друга в √3 раз (рис. 1).
Рис. 1. Схема присоединении трехфазной четырехфазной сети к зажимам обмотки статора трехфазного синхронного генератора при соединении фаз звездой.
Ротор синхронной машины представляет собой электромагнитную систему постоянного тока с обмоткой, имеющей то же число полюсов, что и трехфазная обмотка статора. Магнитные силовые линии замыкаются между соответствующими северными и южными полюсами ротора через воздушный зазор и мапштопровод статора (рис. 2, а, б).
Обмотка ротора, или обмотка возбуждения, получает питание от выпрямителя или небольшого генератора постоянного тока - возбудителя, мощность которого составляет 0,5 - 10% номинальной мощности синхронной машины. Возбудитель может находиться на одном валу с синхронной машиной, приводиться от ее вала гибкой передачей или иметь привод от отдельного двигателя.
Неявнополюспый ротор синхронной машины - сплошной или составной цилиндр из углеродистой или легированной стали с пазами, профрезерованными на его поверхности в осевом направлении. В эти пазы уложена обмотка, выполненная изолированным медным или алюминиевым проводом. Начало И1 и конец И2 этой обмотки присоединяют к двум контактным кольцам, укрепленным на втулке из изолятора, расположенной: на валу машины, и вращающихся вместе с ротором.
К кольцам прижаты неподвижные щетки, от которых выведены провода к зажимам с маркировкой И1 и И2 для присоединения к источнику электрической энергии постоянного тока. Большие зубья цилиндра ротора, в которых нет пазов, образуют полюсы ротора.
Неявнополюсный ротор обычно имеет два или четыре полюса с чередующейся полярностью, его используют в быстроходных синхронных машинах, в частности в турбогенераторах - трехфазных синхронных генераторах, непосредственно соединенных с паровыми турбинами, рассчитанными на частоту вращении 3000 или 1500 оборотов в минуту при частоте переменного тока 50 Гц.
Рис. 2. Устройство трехфазной синхронной машины с ротором: а - неявнополюсным, б - явнополюсным, 1 - станина, 2 - магнитопровод статора, 3 - проводники статора, 4 - воздушный зазор, 5 - полюс ротора, 6 - полюсный наконечник, 7 - праведники ротора, 8 - катушечная обмотка возбуждения, 9 - короткозамкнутая обмотка, 10 - контактные кольца, 11 - щетки, 12 - вал.
Явнополюсный ротор синхронной машины с числом полюсов от четырех и более имеет массивное или шихтованное из стальных листов ярмо, на котором крепятся аналогичной конструкции стальные полюсы, имеющие прямоугольное сечение, заканчивающиеся наконечниками (рис. 2, б). На полюсах расположены соединенные между собой катушки, образующие обмотку возбуждении.
Такой ротор применяют в тихоходных синхронных машинах, которыми могут быть гидрогенераторы и и дизельгенераторы - трехфазные синхронные генераторы, непосредственно соединенные соответственно с гидравлическими турбинами или двигателями внутреннего сгорания, рассчитанными на частоту вращения 1500, 1000, 750 и ниже оборотов в минуту при частоте переменного тока 50 Гц.
Многие синхронные машины имеют на роторе помимо обмотки возбуждения еще медную или латунную короткозамкнутую успокоительную обмотку, которая в неявнополюсном роторе мало отличается от аналогичной обмотки ротора асинхронной машины, а в явнополюсном роторе она выполняется в виде неполной короткозамкнутой обмотки, стержни которой заложены только в пазы полюсных наконечников и отсутствуют в междуполюсном пространстве. Эта обмотка способствует затуханию колебаний ротора при неустановившихся режимах синхронной машины, а также обеспечивает асинхронный пуск синхронных двигателей.
Синхронные машины номинальной мощностью до 5 кВт иногда изготавливают в обращенном исполнении с обмоткой возбуждения на статоре и трехфазной обмоткой на роторе.
Эффективность работы трехфазного синхронного генератора
Работа трехфазных синхронных машин в генераторном режиме сопровождается потерями энергии, которые но своему характеру аналогичны потерям в асинхронных машинах. В связи с этим эффективность работы трехфазного синхронного генератора характеризуется значением коэффициента полезного действия (кпд), который в условиях симметричной нагрузки определяется по формуле:
η = (√3UIcosφ)/(√3UIcosφ+ΔP),
где U и I - действующие, линейные напряжение и ток, cosφ - коэффициент мощности приемников, ΔP - суммарные потери, отвечающие данной нагрузке синхронной машины.
Величина коэффициента полезного действия (кпд) синхронных генераторов зависит от величины нагрузки и коэффициента мощности приемников (рис 3).
Рис. 3. Графики зависимости коэффициента полезного действия трехфазного синхронного генератора от нагрузки и коэффициента мощности приемников.
Максимальное значение кпд соответствует нагрузке, близкой к номинальной, и составляет для машин средней мощности 0,88-0,92, а для генераторов большой мощности доходит до значения 0,96-0,99. Несмотря на высокое значение кпд в крупных синхронных машинах из-за большого количества выделяемого тепла приходится применять охлаждение обмоток водородом, дистиллированной водой или трансформаторным маслом, что способствуют лучшему отводу тепла, а также позволяет создавать более компактные и эффективные трехфазные синхронные машины.