Синхронные машины

Синхронные
машины
Цикл лекций в курсе «Электрические
машины»
Доцент
О.Л.Рапопорт
Содержание
1. Определение синхронной машины, применение.
2. Конструкция синхронной машины.
3. Принцип действия.
4. Возбуждение синхронной машины.
5. Холостой ход синхронного генератора.
6. Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция якоря.
7. Характеристики синхронного генератора.
8. Параллельная работа синхронного генератора с сетью.
9. Работа синхронной машины двигателем.
10.Характеристики синхронного двигателя.
11.Способы пуска в ход синхронных двигателей.
12.Синхронные компенсаторы.
13.Синхронные реактивные двигатели.
14.Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов
15.Гистерезисные двигатели.
16.Шаговые двигатели.
17.Вентильные реактивные двигатели.
Определение синхронной машины, применение
Синхронной называется электрическая машина
переменного тока, в которой частота вращения
ротора ровна частоте вращения магнитного поля
статора.
n=n1=60f1/p, тогда s=(n1-n)/n1=0 и f2=sf1=0
Синхронные машины работают в трех режимах:
генераторном, двигательном и в режиме синхронного
компенсатора.
Турбогенераторы, гидрогенераторы – это самые
крупные
электрические
машины,
созданные
человеком.
Конструкция синхронной машины.
Неподвижная часть – статор, в ней наводится ЭДС (якорь).
Подвижная часть – ротор содержит цепь постоянного тока
(индуктор).
Принцип действия синхронной машины
Если по обмотке возбуждения пропустить постоянный ток,
то этот ток создаст постоянное во времени и неподвижное
относительно ротора (индуктора) магнитное поле с
чередующейся полярностью. При вращении ротора его
магнитное поле будет вращаться относительно неподвижной
обмотки статора (якоря) и наводить в ней переменную ЭДС.
Если в пазах якоря уложена трехфазная симметричная
обмотка, сдвиг осей фаз в пространстве у которых составляет
120 ° электрических и сопротивления фаз равны, то в этой
обмотке индуцируется симметричная ЭДС со сдвигом во
времени 120°. Частота этих ЭДС f1=pn2/60
Если по этой обмотке протекает трехфазный ток, то он
создает вращающееся магнитное поле с частотой n1=60f1/p.
Принцип действия синхронной машины
При подстановке получим, n1=n2. Следовательно
магнитные поля возбуждения и якоря неподвижны относительно
друг друга и образуют результирующее поле машины.
При работе синхронной машины двигателем трехфазное
напряжение сети подсоединяют к обмотке статора (якоря). При
этом создается вращающееся магнитное поле, которое
взаимодействует с полем обмотки возбуждения и создает
вращающий момент.
Возбуждение синхронной машины
Холостой ход синхронного генератора
Холостой ход синхронного генератора
Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция
якоря.
Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция
якоря
Характеристики синхронного генератора
.
Характеристики синхронного генератора
.
Характеристики синхронного генератора
Регулировочная
.
Параллельная работа синхронного генератора с сетью.
Условия включения генератора на параллельную
работу с сетью
1. ЭДС генератора и сети должны быть равны по значению и
находится в противофазе.
2. Частота генератора и частота сети должны быть равны, иначе
после синхронизации синхронный генератор будет работать в
режиме асинхронного двигателя или асинхронного
генератора.
3.Порядок чередования фаз генератора и сети должен быть
одинаковым, иначе после синхронизации ротор генератора
будет вращаться с синхронной скоростью против направления
вращения магнитного поля, т.е.будет работать в режиме
электромагнитного тормоза со скольжением s=2.
Это условия точной синхронизации.
Условия включения генератора на параллельную
работу с сетью
Условия самосинхронизации:
1.
2.
Одинаковый порядок чередования фаз.
Примерно равные частоты генератора и сети.
Параллельная работа синхронного генератора с сетью
Неявнополюсная машина
1.Электромагнитная мощность Pэм = mU(E0/xc)Sinθ,
2.Электромагнитный момент Мэм = Pэм/ωс = (mUE0/ ωсxc)Sinθ.
Параллельная работа синхронного генератора с сетью
Явнополюсная машина
1.Электромагнитная мощность
Рэм = mU(E0/xd)Sinθ + (mU2/2)(1/xq-1/xd)Sin2θ,
2.Электромагнитный момент
Мэм = [(mUE0)/(ωcxd)]Sinθ + [(mU2)/(2ωc)(1/xq-1/xd)]Sin2θ.
Синхронные двигатели
Синхронные двигатели
Пусковая обмотка рассчитана на большие токи.
При переходе в двигательный режим изменятся знаки момента
сопротивления и угла нагрузки.
Устойчивая часть угловой характеристики от 0 до -90°.
Удельный синхронизирующий
момент имеет максимум при
Θ=0 и равен 0 при Θ=90°.
Синхронные компенсаторы
Это синхронная машина, работающая при холостом ходе с
перевозбуждением и применяется для компенсации отстающего тока в
сетях с большой индуктивной нагрузкой. Иногда он работает с
недовозбуждением, когда из-за емкости линии и ее недогрузки ток
линии опережает напряжение. Здесь уменьшается перенапряжение.
Отличия от синхронных двигателей:
Корпус является герметичным, т.к. у синхронных компенсаторов нет
выходного конца вала.
Вал компенсатора существенно тоньше, чем у двигателя, т.к. нет
нагрузки.
Не нужен большой максимальный момент, поэтому воздушный зазор
меньше (<xd), что уменьшает обмотку возбуждения.
Синхронные компенсаторы выпускают на мощность до 320 МВА,
номинальным напряжением 6,3…20 кВ, с частотой вращения 750 или
1000 об/мин.
Специальные синхронные машины
1.Синхронные реактивные двигатели (СРД)
Имеют явнополюсный ротор, xd ≠ xq, обмотка возбуждения
отсутствует и нет щеточно-контактного узла. Магнитное поле
создается только обмоткой якоря и вращающий момент равен
реактивному моменту.
Максимальный момент при угле 45°. Пуск – асинхронный.
Специальные синхронные машины
2.Синхронные машины со сверхпроводящ. обмотками возб.
Необходимо для увеличения единичной мощности
генератора.Ротор представляет собой вращающийся криостат с
вакуумной изоляцией и с подачей жидкого гелия в каналы для
охлаждения обмотки. Она выполнена из ниобий-титановой
шины. Плотность тока достигается 100 А/мм2.
Специальные синхронные машины
3. Машины с постоянными магнитами
На роторе вместо обмотки ротора в них применяют постоянные
магниты. При этом потери возбуждения равны нулю, нет контактных
колец. Высокий КПД и нет необходимости в источнике питания. Пуск
асинхронный.
Недостаток – трудность в регулировании потока возбуждения.
Специальные синхронные машины
4.Гистерезисные двигатели
Ротор состоит из двух частей: на валу магнитная втулка и закрепленное на ней
кольцо из магнитотвердого материала с широкой петлей гистерезиса (сплав викаллой).
Специальные синхронные машины
5.Шаговые двигатели
Относятся к управляемым синхронным машинам. Они
преобразуют импульсные сигналы в пропорциональные угловые
дискретные перемещения.
Специальные синхронные машины
6.Машины с клювообразным ротором
Распределение магнитного поля в воздушном зазоре, близкое к
синусоидальному достигается за счет профиля полюсного
наконечника.
Специальные синхронные машины
7.Индукторные синхронные машины
Здесь преобразование энергии происходит вследствие
изменения взаимной индуктивности между ротором и статором.
В индукторной машине все обмотки неподвижны, а изменения
магнитного
потока,
пронизывающего
обмотку
статора,
вызывается перемещением ферромагнитной массы.