Реферат
Поняття і принцип роботи синхронної машини
Синхронна машина складається з двох частин: індуктора і якоря. Індуктором називають частину машини, в якій створюється первинне магнітне поле. Якорем називають частину машини, в якій індукується ЕРС. Найбільшого поширення одержали синхронні машини, в яких якір нерухомий, а індуктор обертається.
Розглянемо пристрій синхронної трифазної машини, в якій якір є статором, а індуктор є обертовим ротором.
Статор такої машини за конструкцією аналогічний статора асинхронної машини і складається з трьох основних частин: корпусу (станини), сердечника і обмоток. Сердечник є порожній циліндр, набраний з електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм. На внутрішній поверхні осердя є пази, в які вкладається обмотка статора. Пази, як правило мають прямокутний перетин.
Обмотка статора складається з трьох однакових фазних обмоток, зсунутих в просторі один відносно одного на 120 0 і з'єднаних зіркою.
У синхронних машинах застосовують ротори двох конструкцій: явнополюсние і неявнополюсние. Неявнополюсние ротори використовуються у синхронних генераторах розрахованих на швидкість обертання ротора 1500 і 3000 оборотів в хвилину. У синхронних двигунах використовують тільки явнополюсние ротори.
Явнополюсний ротор містить вал, на якому закріплений обід, а до нього кріпляться полюса. Сердечники полюсів набираються з пластин, з електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм, на полюсах кріпиться обмотка збудження, за якою пропускають постійний струм, що підводиться через щітки та контактні кільця, закріплені на роторі. Крім цього в сердечниках полюсів роблять пази, в які укладають мідні стрижні, по одному стрижню в кожен паз. З торців стрижні між собою закорочуються сегментами або кільцями, утворюючи короткозамкнутую обмотку такого ж типу як обмотка у короткозамкнутого ротора асинхронного двигуна, яка є пусковою обмоткою.
На електричних схемах синхронна машина зображується у вигляді двох концентричних кіл (зовнішня окружність зображує обмотку ротора). До обмотці статора підключається трифазна мережа, а до обмотки ротора мережу постійного струму. Умовне зображення синхронної машини наведено нижче:
При пуску обмотка статора підключається до трифазної мережі. Ротор приводиться в рух завдяки наявності короткозамкненою пускової обмотки. Трифазні струми, проходячи по обмотках статора створюють обертове магнітне поле, яке обертається зі швидкістю? 0 Поле статора, обертаючись, перетинає стрижні пускової обмотки, індукуючи в них ЕРС, під дією якої по них будуть протікати струми. При взаємодії цих струмів з обертовим полем статора створюється електромагнітний момент, прикладений до ротора, ротор прийде в обертання. Обмотка збудження на період пуску замикається на резистор з метою зменшення виникають у ній напруг. В кінці пуску, коли швидкість ротора стає досить близькою до швидкості обертання магнітного поля статора (0,95-0,98)? 0, обмотку збудження відключають від резистора, і на неї подається постійний струм. Постійне магнітне поле ротора зчіплюється з обертаючим полем статора, і ротор втягується в синхронізм. Після цього ротор продовжує обертатися зі швидкістю, розвиваючи обертаючий момент. Пускова обмотка при цьому перестає працювати, так як поле статора вже не перетинає стрижні пускової обмотки, і струм в ній стає рівним нулю.
Механічна характеристика при пуску синхронного двигуна відповідає характеристиці асинхронного двигуна, а в робочому режимі являє собою пряму. Обидві характеристики наведені на малюнку 4.8.
Електромагнітний момент, прикладений до ротора синхронної машини, створюється за рахунок взаємодії між магнітними полюсами магнітного поля ротора і обертовим магнітним полем статора.
Зміна навантаження на валу двигуна супроводжується зміною взаємного положення магнітних полюсів ротора і обертового магнітного поля статора.
При ідеальному холостому ході осі полюсів магнітного поля ротора і магнітного поля статора збігаються. Ротор не створює електромагнітного моменту. При збільшенні навантаження на вал ротора, ротор дещо відстає в просторі від магнітного поля статора. Вісь магнітних полюсів ротора буде зрушена від осі магнітних полюсів статора на деякий кут?. За рахунок взаємодії між полюсами ротора і статора з'явиться електромагнітний момент. Чим більше кут?, Тим більше буде електромагнітний обертаючий момент ротора. При певному значенні кута? обертаючий момент досягає максимуму.
Нижче на малюнку показане розташування полюсів магнітного поля статора і ротора при навантаженні в руховому режимі.
Якщо статичний момент навантаження перевищить значення максимального моменту, то двигун випадає із синхронізму. При прийомі і скиданні навантаження ротор робить коливання перш, ніж займе певне положення.
Якщо при роботі машини в режимі ідеального холостого ходу до ротора буде прикладено обертаючий момент, спрямований у бік обертання, то вісь магнітних полюсів ротора зрушиться в бік обертання на кут?. Виникне електромагнітний момент, спрямований проти обертання ротора (за рахунок взаємодії між полюсами магнітних полів ротора і статора) і машина перейде у генераторний режим роботи.
Потужність, споживана синхронним електродвигуном з мережі можна знайти з виразу
P = 3 · U · I.
У цьому виразі U - фазна напруга статора, I - фазний струм. Якщо не враховувати втрати, тоді вираз для електромагнітного моменту развиваемого ротором можна записати так:
.
При q = 90 ° електромагнітний момент, що розвивається ротором приймає максимальне значення:
.
Тоді електромагнітний момент синхронної машини:
M = M max sin?
Необхідно відзначити, що кут q зсуву по фазі між ЕРС і напругою статора в двополюсний машині дорівнює куту зсуву між магнітними полюсами статора і ротора. У багатополюсної машині кут q зсуву по фазі між ЕРС і напругою статора буде більше кута q реальний між полюсами на число пар полюсів магнітного поля ротора.
Залежність електромагнітного моменту синхронної машини від кута називається кутовий характеристикою, вона представлена на малюнку.
Стійкий режим роботи синхронного двигуна забезпечується на ділянці 0 <? <90 0 (стійкий ділянка). Зазвичай номінальний момент двигуна лежить в межах? = 20 ... 30 0. для забезпечення запасу по моменту.
Обертаючий момент двигуна пропорційний напрузі мережі в першого ступеня, що визначає його меншу чутливість до коливань напруги, ніж у асинхронного двигуна.
Для гальмування зазвичай застосовується режим динамічного гальмування, при якому обмотки статора відключаються від мережі і замикаються на резистори. Механічні характеристики в цьому випадку подібні характеристикам асинхронного двигуна при динамічному гальмуванні.
Принципова схема включення синхронного двигуна при динамічному гальмуванні наведена на малюнку.
Гальмування синхронних двигунів противовключением практично не застосовується, так як воно супроводжується великими кидками струму і веде до ускладнення управління зважаючи на необхідність відключення двигуна при підході до нульової швидкості.
Синхронний двигун може працювати і в режимі генератора паралельно з мережею (рекуперативне гальмування), в цьому випадку електромагнітний момент буде мати негативне значення. Цьому режиму відповідає ліва гілка кутовий характеристики, кутова швидкість обертання при цьому не змінюється (дорівнює синхронної).
Відмінною особливістю синхронного двигуна є його здатність регулювання споживання реактивної потужності. Пояснюється це тим, що, при деяких припущеннях можна вважати, що ЕРС індукована в обмотках статора (Е = 4,44 w 1 f 1 k 1 Ф) і рівна напрузі мережі визначається результуючим магнітним потоком двигуна, який у свою чергу порушується намагнічує струмом статора і ротора. Отже, значення магнітного потоку машини (обертового магнітного поля) і напруга мережі пов'язані пропорційною залежністю. При незмінній напрузі мережі незмінний магнітний потік машини.
У випадку, коли струм збудження відсутня (струму в роторі немає), то весь магнітний потік створюється струмом статора, отже, синхронний двигун споживає з мережі реактивну енергію і двигун являє собою активно-індуктивне навантаження.
Якщо ж машину порушити, то результуючий магнітний потік буде створюватися як струмом статора так і струмом ротора, отже, споживання реактивної енергії статором з мережі зменшиться. Подальше збільшення струму збудження призведе до подальшого зменшення споживання реактивної енергії. При номінальному струмі ротора, статор взагалі не буде споживати реактивну енергію з мережі, тобто магнітний потік машини весь створюється струмом ротора, наступає режим ідеального холостого ходу. При подальшому збільшенні струму збудження, струм обмотки статора стане розмагнічувальних, тобто статор буде працювати і бути по відношенню до мережі активно-ємнісне навантаження, а машина стане генератором реактивної енергії. Змінюючи значення струму збудження машини (струм ротора) можна регулювати реактивну потужність синхронного двигуна. При струмі ротора більше номінального (перезбудження двигуна) двигун являє собою активно-ємнісне навантаження, і його можна використовувати для підвищення cos j промислових підприємств.