Процесс преобразования энергии в электрических машинах. Режимы их работы (стр. 11 )

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

§11. Назначение и принцип действия синхронной машины

Назначение. Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энергию трехфазного тока. Почти все генераторы переменного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических станциях, являются синхронными. Мощность этих генераторов может быть самая различная, начиная от нескольких киловольт-ампер (на передвижных электростанциях) и кончая несколькими сотнями тысяч киловольт-ампер (на мощных центральных электростанциях). В Советском Союзе создан самый большой в мире синхронный генератор мощностью 1200 тыс. кВ*А. Синхронные двигатели используют, главным образом, для мощных электрических приводов. Синхронные генераторы применяют на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока. На этих тепловозах напряжение, полученное от синхронного генератора, выпрямляется полупроводниковыми преобразователями и подается на тяговые двигатели постоянного тока.

Принцип действия. На статоре 2 синхронной машины располагается трехфазная обмотка 1 (рис. 283,а), а на роторе 4 — полюсы (электромагниты) с обмоткой, питаемой постоянным током через контактные кольца 3 и щетки. Обмотка 5 полюсов, создающая магнитный поток возбуждения машины, называется обмоткой

Рис. 283. Электромагнитная схема синхронной машины (а), и схемы ее включения (б и в): 1—трехфазная обмотка статора; 2— ротор; 3— обмотка возбуждения; 4, 5 — обмотки якоря

возбуждения. Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины; его обмотка имеет три (в двухполюсной машине), шесть (в четырехполюсной) или большее число катушек, сдвинутых одна относительно другой на соответствующие углы (120° или 60° и т. д.). При вращении ротора 4 с некоторой частотой n поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную э. д. с. Е1, изменяющуюся с частотой

f1 = pn/60 (86)

Благодаря тому что обмотки трех фаз синхронного генератора сдвинуты в пространстве на угол 120°, индуцируемые в них э. д. с. будут сдвинуты одна относительно другой по фазе на 1/3 периода. Если к обмотке статора подключить какую-либо нагрузку, то протекающий по этой обмотке трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n1 = 60f1/p (87)

Из формул (86) и (87) следует, что n = n1, т. е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемая машина называется синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Фрез создается совместным действием магнитодвижущих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается в пространстве с той же частотой вращения, что и ротор.

В синхронной машине обмотка 1 (рис. 283,б), в которой индуцируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называется обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по схеме, показанной на рис. 283, статор является якорем, а ротор — индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной электромагнитной схемой: у них обмотка якоря, к которой подключается нагрузка, располагается на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током,— на статоре.

Обмотка якоря обычно имеет семь выводов: от начал А, В, С и концов X, Y, Z фаз и от нулевой точки 0. Это дает возможность соединять фазы и подключать к ним нагрузку по различным схемам: «звезда», «звезда с нулевым проводом» и «треугольник».

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности: ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения вращающегося магнитного поля, т. е. n = n1; в обмотке ротора э. д. с. не индуцируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Синхронные генераторы тепловозов с электропередачей переменно-постоянного тока имеют две обмотки якоря 6 и 7 (рис. 283, в), фазы которых OA и О’А’, ОВ и О’В’ и ОС и О’С’ сдвинуты на 30°. Выводы обмоток якоря подключены к полупроводниковому выпрямителю. В результате сдвига фаз обмоток якоря существенно уменьшается пульсация напряжения и тока на выходе выпрямителя, что улучшает работу тяговых двигателей постоянного тока (см. главу III).

Возбуждение синхронной машины. В качестве источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения 1 синхронной машины может служить генератор постоянного тока 4 (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 284, а), или полупроводниковый выпрямитель 5, присоединенный к обмотке якоря 2 (рис. 284,б). Питание обмотки возбуждения от полупроводникового выпрямителя все более широко применяется как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо - и гидрогенераторах. Регули-

Рис. 284. Схемы питания обмотки возбуждения от возбудителя (а) и от полупроводникового выпрямителя (б)

рование тока возбуждения осуществляется вручную регулировочным реостатом 3, включенным в цепь обмотки возбуждения, или автоматически специальными регуляторами. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3—3 % мощности синхронной машины, поэтому возбудитель или выпрямитель имеет малые размеры по сравнению с синхронной машиной.

§12. Устройство синхронной машины

Конструктивная схема машины. В зависимости от расположения якоря синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой и средней мощности (рис. 285) выполняют с неподвижным якорем для удобства отвода электрической энергии от обмотки якоря или ее подвода к ней. Поскольку мощность возбуждения невелика, подвод постоянного тока к расположенной на роторе обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. В синхронных машинах с неподвижным якорем якорь 3 выполнен так же, как и статор асинхронной машины. На нем имеются пазы, в которых уложена трехфазная обмотка. Сердечник якоря запрессован в остов 2, для крепления машины на остове имеются лапы 6. Возможно также крепление с помощью фланца или другими способами. На валу ротора 4 установлен вентилятор 5, обеспечивающий охлаждение машины. Возбуждение синхронной машины осуществляется в данном случае от возбудителя 1.

Конструкция ротора. В машинах с неподвижным якорем применяют две различные конструкции ротора: явнополюсную (рис. 286, а) и неявнополюсную (рис. 286,б). Явнополюсный (с явновыраженными полюсами) ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек 2 прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках 3 полюсов и укрепляют полюсными наконечниками 1.Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой

Рис. 285. Общий вид синхронной машины с возбудителем

Рис. 286. Расположение обмотки возбуждения на роторе синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) машины

стали. Двухполюсные и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, выполняют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно, так как не обеспечивается необходимая механическая прочность крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения 2 в такой машине размещается в пазах сердечника 5 ротора, изготовленного из массивной стальной поковки, и укрепляется в них немагнитными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят стальными массивными бандажами. Примерно 1/3 каждого полюсного деления ротора не имеет пазов; эти части образуют так называемые «большие зубцы» 4, через которые входит и выходит поток возбуждения.

По своему назначению синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы и синхронные двигатели. Назначение машины в значительной степени определяет и ее конструкцию. Турбогенераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Для получения стандартной частоты 50 Гц они должны иметь при двух полюсах частоту вращения 3000 об/мин, а при четырех полюсах—1500 об/мин. Гидрогенераторы приводятся во вращение тихоходными турбинами, частота вращения которых составляет несколько десятков или сотен оборотов в минуту, поэтому они выполняются с большим числом полюсов (16—96) и имеют явнополюсные роторы. Дизель-генераторы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, и синхронные двигатели небольшой и средней мощности выполняют обычно явнополюсными, мощные же двигатели — неявнополюсными.

Дизель-генераторы и синхронные двигатели выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (рис. 287, а). В дизель-генераторе обычно имеется один подшипник; в качестве второй опоры ротора используется подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединяется с валом ротора генератора. В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках (рис. 287, 6) размещаются стержни беличьей клетки, выполненной из меди или латуни. С торцовых сторон ротора стержни соединяются с короткозамыкающими кольцами. В генераторах эту клетку называют демпферной обмоткой; она обеспечивает