Лекція №7. Трифазні синхронні машини
Зміст лекції:
конструкція та принцип дії синхронних машин у генераторному та руховому режимах роботи;
характеристики синхронних машин у генераторному та руховому режимах роботи.
Цілі лекції:
 вивчити конструкцію та принцип дії синхронних машин у генераторному та руховому режимах роботи;
вивчити характеристики синхронних машин у генераторному та руховому режимах роботи.

 Синхронні машини виконуються з нерухомим або якорем, що обертається. Машини великої потужності виконуються з нерухомим якорем (див. рис. 7.1, а) для зручності відведення електричної енергії зі статора. Оскільки потужність збудження невелика в порівнянні з потужністю, яка знімається з якоря (0,3 - 2%), підведення постійного струму до обмотки збудження за допомогою двох кілець не викликає особливих труднощів. Синхронні машини невеликої потужності виконуються як з нерухомим, так і з якорем, що обертається. Синхронна машина з якорем, що обертається, і нерухомим індуктором (див. малюнок 7.1, б) називається зверненою.

У машині з нерухомим якорем застосовуються дві різні конструкції ротора: явнополюсна (з явновираженими полюсами) (див. рис. 7.2, а) і неявно полюсна (з неявно вираженими полюсами) (див. рис. 7.2, б). Явнополюсний ротор зазвичай використовується в машинах із чотирма та більшим числом полюсів. Обмотка збудження виконується в цьому випадку у вигляді циліндричних котушок прямокутного перерізу, які розміщуються на сердечниках полюсів та зміцнюються за допомогою полюсних наконечників. Ротор, сердечники полюсів та полюсні наконечники виготовляються з листової сталі. Двополюсні та чотириполюсні машини великої потужності, що працюють при швидкості обертання ротора 1500 та 3000 об/хв, виготовляються, як правило, з неявнополюсним ротором. Застосування в них явнополюсного ротора неможливе за умов забезпечення необхідної механічної міцності кріплення полюсів та обмотки збудження. Обмотка збудження в такій машині розміщується в пазах сердечника ротора, наповненого з масивного сталевого поковки, і укріплюється в них металевими немагнітними клинами. Приблизно 1/3 кожного полюсного розподілу ротора немає пазів; ці частини утворюють звані «великі зубці», якими входить і виходить потік збудження. У синхронних двигунах з явнополюсним ротором у полюсних наконечниках розміщуються стрижні біличної клітини, виконаної з матеріалу з підвищеним питомим опором (латунь та ін.). Ця клітина служить як пускова обмотка. Останнім часом синхронні двигуни часто виконуються без пускової обмотки, але з потужними полюсами. У цих полюсах при пуску виникають вихрові струми, які, взаємодіючи з магнітним полем, що обертається, створюють пусковий момент.

Принцип дії синхронного генератора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Якщо в обмотку збудження ротора подати постійний струм і обертати ротор, то в обмотці статора буде наводитися е.д.с., діюче значення якої дорівнює

Е = 4,44 kfWФ, (7.1)

де k - обмотковий коефіцієнт; f - частота одержуваного струму;
W - число послідовно з'єднаних витків фази обмотки генератора; Ф – основний магнітний потік полюсів.

Для отримання трифазної напруги в якорі розміщуються три обмотки, які по колу зсунуті відносно один одного на 120 °. .Ці обмотки з'єднуються між собою у зірку чи трикутник. При обертанні ротора в обмотках наводяться е.р.с., зрушені на 120 °.

Якщо до генератора підключити зовнішнє навантаження, то протікання змінного струму в обмотках якоря викликає появу магнітного поля, що обертається, частота обертання якого дорівнює частоті обертання ротора (5.2), тобто. частоти обертання магнітних полів якоря та полюсів рівні між собою. У цьому випадку кажуть, що вони обертаються синхронно, і такі генератори отримали синхронні назви. Частота е.р.с. генератора дорівнює

f=np/60,
де n – частота обертання ротора, хв-1, р – число пар полюсів.

Синхронні генератори, як і генератори постійного струму, мають властивість оборотності, тому кожен синхронний генератор можна використовувати як двигун без зміни конструкції.
Уявімо, що ротор обертається механічним двигуном і здійснює строго синхронне число обертів (див. рис. 7.3). Якщо при цьому статор включити трифазний струм від стороннього джерела, а первинний двигун від'єднати від генератора, то ротор продовжуватиме обертатися з незмінним числом оборотів (5.2). Відбувається це тому, що в момент включення трифазного струму в статор у ньому створюється магнітне поле, що обертається, яке взаємодіє з полюсами ротора (одноіменні полюси відштовхуються, а різноіменні притягуються) і таким чином підтримує незмінним його обертання. Напрямок обертання поля завжди можна отримати таке ж, як і у ротора, якщо дотримуватися певного чергування фаз у статорі при підведенні до нього трифазного струму. Число обертів поля n (5.2) залежить від частоти струму, а також кількості пар полюсів. Ці обороти для ротора двигуна називаються синхронними.

****

Однофазна синхронна машина може працювати як генератор і двигун. На статорі машини укладається обмотка якоря, (див. рис. 8.1, а), що займає приблизно 2/3 його кола. Мати обмотку якоря по всьому колу статора недоцільно, тому що при цьому витрата міді збільшиться в 1,5 рази, а потужність піднімається незначно - приблизно на 15%. Це тим, що з збільшення числа пазів зменшується обмотковий коефіцієнт, який машини з рівномірно розподіленої обмоткою якоря становить близько 0,64.

Однак через те, що не все коло статора заповнена провідниками, потужність однофазної машини приблизно в 1,42% менше потужності трифазної машини з однаковим діаметром статора і при однакових втратах потужності в його обмотці. При протіканні однофазного струму по обмотці якоря виникають як пряме Фпр, так і зворотне магнітні поля. Пряме поле щодо ротора нерухоме; зворотне  ж  обертається з кутовою швидкістю 2w і індуктує в обмотці збудження е.р.с., частота якої вдвічі більша за частоту е.р.с. в обмотці якоря.

При цьому струм подвійної частоти може викликати іскріння на щітках збудника і ряд інших небажаних наслідків. Для усунення цього явища на роторі однофазної машини обов'язково розміщують короткозамкнену демпферну обмотку типу біличної клітини. У стрижнях демпферної обмотки зворотне поле індукує е.р.с. подвійної частоти, внаслідок чого створювана цією обмоткою н.с.FД (намагнічуюча сила) обертатиметься з тією ж швидкістю і в тому ж напрямку, що й зворотне поле, створене н.с.FОБР обмотки статора. Векторна діаграма, що ілюструє взаємодію цих н.с., наведена малюнку 8.1, б. При цьому н.с.FОБР, що результує н.с.FРЕЗ і створюваний нею потік ФРЕЗ, а також е.д.с. ОД у демпферній обмотці та ЕВ в обмотці збудження різко зменшуються. Таким чином, завдяки наявності демпферної обмотки зворотне поле майже повністю гаситься і через обмотку збудження змінний струм практично не проходить.