Реферат
Понятие и принцип работысинхронной машины
Синхроннаямашина состоит из двух частей: индуктора и якоря. Индуктором называют частьмашины, в которой создается первичное магнитное поле. Якорем называют частьмашины, в которой индуцируется ЭДС. Наибольшее распространение получилисинхронные машины, в которых якорь неподвижен, а индуктор вращается.
Рассмотрим устройство синхроннойтрехфазной машины, в которой якорь является статором, а индуктор являетсявращающимся ротором.
/>
Статор такой машины поконструкции аналогичен статору асинхронной машины и состоит из трех основныхчастей: корпуса (станины), сердечника и обмоток. Сердечник представляет собойполый цилиндр, набранный из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности сердечника имеются пазы, в которые укладывается обмотка статора.Пазы, как правило имеют прямоугольное сечение.
Обмотка статора состоитиз трех одинаковых фазных обмоток, сдвинутых в пространстве друг относительнодруга на 1200и соединенных звездой.
В синхронных машинахприменяют роторы двух конструкций: явнополюсные и неявнополюсные.Неявнополюсные роторы используются в синхронных генераторах рассчитанных наскорость вращения ротора 1500 и 3000 оборотов в минуту. В синхронных двигателяхиспользуют только явнополюсные роторы.
Явнополюсный роторсодержит вал, на котором закреплен обод, а к нему крепятся полюса. Сердечникиполюсов набираются из пластин, из электротехнической стали толщиной 0,5 мм, на полюсах крепится обмотка возбуждения, по которой пропускают постоянный ток, подводимыйчерез щетки и контактные кольца, закрепленные на роторе. Кроме этого всердечниках полюсов делают пазы, в которые укладывают медные стержни, по одномустержню в каждый паз. С торцов стержни между собой закорачиваются сегментамиили кольцами, образуя короткозамкнутую обмотку такого же типа как обмотка укороткозамкнутого ротора асинхронного двигателя, которая является пусковойобмоткой.
На электрических схемахсинхронная машина изображается в виде двух концентрических окружностей (внешняяокружность изображает обмотку ротора). К обмотке статора подключается трёхфазнаясеть, а к обмотке ротора сеть постоянного тока. Условное изображение синхронноймашины приведено ниже:
/>
При пуске обмоткастатора подключается к трехфазной сети. Ротор приводится в движении благодаряналичию короткозамкнутой пусковой обмотки. Трехфазные токи, проходя по обмоткамстатора создают вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью ?0Поле статора, вращаясь, пересекает стержни пусковой обмотки, индуцируя в нихЭДС, под действием которой по ним будут протекать токи. При взаимодействии этихтоков с вращающимся полем статора создается электромагнитный момент, приложенныйк ротору, ротор придет во вращение. Обмотка возбуждения на период пусказамыкается на резистор с целью уменьшения возникающих в ней напряжений. В концепуска, когда скорость ротора становится достаточно близкой к скорости вращениямагнитного поля статора (0,95-0,98) ?0, обмотку возбужденияотключают от резистора, и на нее подается постоянный ток. Постоянное магнитноеполе вращающегося ротора сцепляется с вращающим полем статора, и роторвтягивается в синхронизм. После этого ротор продолжает вращаться со скоростью,развивая вращающий момент. Пусковая обмотка при этом перестает работать, таккак поле статора уже не пересекает стержни пусковой обмотки, и ток в нейстановится равным нулю.
Механическаяхарактеристика при пуске синхронного двигателя соответствует характеристикеасинхронного двигателя, а в рабочем режиме представляет собой прямую. Обехарактеристики приведены на рисунке 4.8.
Электромагнитныймомент, приложенный к ротору синхронной машины, создается за счетвзаимодействия между магнитными полюсами магнитного поля ротора и вращающимсямагнитным полем статора.
Изменение нагрузки навалу двигателя сопровождается изменением взаимного положения магнитных полюсовротора и вращающегося магнитного поля статора.
/>
При идеальном холостомходе оси полюсов магнитного поля ротора и магнитного поля статора совпадают.Ротор не создает электромагнитного момента. При увеличении нагрузки на валротора, ротор несколько отстает в пространстве от магнитного поля статора. Осьмагнитных полюсов ротора будет сдвинута от оси магнитных полюсов статора нанекоторый угол?.. За счет взаимодействия между полюсами ротора и статорапоявится электромагнитный момент. Чем больше угол ?, тем больше будетэлектромагнитный вращающий момент ротора. При определенном значении угла?вращающий момент достигает максимума.
Ниже на рисункепоказано расположение полюсов магнитного поля статора и ротора при нагрузке вдвигательном режиме.
/>
Если статический моментнагрузки превысит значение максимального момента, то двигатель выпадает изсинхронизма. При приеме и сбросе нагрузки ротор совершает колебания прежде, чемзаймет определенное положение.
Если при работе машиныв режиме идеального холостого хода к ротору будет приложен вращающий момент,направленный в сторону вращения, то ось магнитных полюсов ротора сдвинется всторону вращения на угол?.. Возникнет электромагнитный момент, направленныйпротив вращения ротора (за счет взаимодействия между полюсами магнитных полейротора и статора) и машина перейдет в генераторный режим работы.
Мощность, потребляемаясинхронным электродвигателем из сети можно найти из выражения
P=3·U·I.
В этом выражении U —фазное напряжение статора, I — фазный ток. Если не учитывать потери, тогдавыражение для электромагнитного момента развиваемого ротором можно записатьтак:
/>.
При q=90°электромагнитный момент, развиваемый ротором принимает максимальное значение:
/>.
Тогда электромагнитныймомент синхронной машины:
M=Mmaxsin?
Необходимо отметить,что угол q сдвига по фазе между ЭДС и напряжением статора в двухполюсной машинеравен углу сдвига между магнитными полюсами статора и ротора. В многополюсноймашине угол q сдвига по фазе между ЭДС и напряжением статора будет больше углаqреальный между полюсами на число пар полюсов магнитного поляротора.
Зависимостьэлектромагнитного момента синхронной машины от угла называется угловойхарактеристикой, она представлена на рисунке.
Устойчивый режим работысинхронного двигателя обеспечивается на участке 0
Вращающий моментдвигателя пропорционален напряжению сети в первой степени, что определяет егоменьшую чувствительность к колебаниям напряжения, чем у асинхронного двигателя.
/>
Для торможения обычноприменяется режим динамического торможения, при котором обмотки статораотключаются от сети и замыкаются на резисторы. Механические характеристики вэтом случае подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическомторможении.
Принципиальная схемавключения синхронного двигателя при динамическом торможении приведена на рисунке.
/>
Торможение синхронныхдвигателей противовключением практически не применяется, так как оносопровождается большими бросками тока и ведет к усложнению управления ввидунеобходимости отключения двигателя при подходе к нулевой скорости.
Синхронный двигательможет работать и в режиме генератора параллельно с сетью (рекуперативноеторможение), в этом случае электромагнитный момент будет иметь отрицательноезначение. Этому режиму отвечает левая ветвь угловой характеристики, угловаяскорость вращения при этом не изменяется (равна синхронной).
Отличительнойособенностью синхронного двигателя является его способность регулированияпотребления реактивной мощности. Объясняется это тем, что, при некоторыхдопущениях можно считать, что ЭДС индуцируемая в обмотках статора (Е=4,44w1f1k1Ф)и равная напряжению сети определяется результирующим магнитным потокомдвигателя, который в свою очередь возбуждается намагничивающим током статора иротора. Следовательно, значение магнитного потока машины (вращающегосямагнитного поля) и напряжение сети связаны пропорциональной зависимостью. Принеизменном напряжении сети неизменен магнитный поток машины.
В случае, когда токвозбуждения отсутствует (тока в роторе нет), то весь магнитный поток создаетсятоком статора, следовательно, синхронный двигатель потребляет из сетиреактивную энергию и двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку.
Если же машинувозбудить, то результирующий магнитный поток будет создаваться как токомстатора так и током ротора, следовательно, потребление реактивной энергиистатором из сети уменьшится. Дальнейшее увеличение тока возбуждения приведет кдальнейшему уменьшению потребления реактивной энергии. При номинальном токеротора, статор вообще не будет потреблять реактивную энергию из сети, т.е.магнитный поток машины весь создается током ротора, наступает режим идеальногохолостого хода. При дальнейшем увеличении тока возбуждения, ток обмотки статорастанет размагничивающим, т.е. статор будет работать и представлять собой поотношению к сети активно-емкостную нагрузку, а машина станет генераторомреактивной энергии. Изменяя значение тока возбуждения машины (ток ротора) можнорегулировать реактивную мощность синхронного двигателя. При токе ротора большеноминального (перевозбуждение двигателя) двигатель представляет собойактивно-емкостную нагрузку, и его можно использовать для повышения cos jпромышленных предприятий.