Индукторные синхронные машины

ВВЕДЕНИЕ 

Прогресс в развитии электромашиностроения зависит от успехов в области теории электрических машин. Глубокое понимание процессов электромеханического преобразования энергии необходимо не только инженерам-электромеханикам, создающим и эксплуатирующим электрические машины, но и многим специалистам, деятельность которых связана с электромеханикой.

Электрические машины применяются во всех отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту. Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими генераторами, а две трети ее преобразуется электрическими двигателями в механическую энергию. От правильного выбора и использования электрических машин во многом зависит технический уровень изделий многих отраслей промышленности.

Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хозяйства. Без электрических машин не может развиваться ни одна комплексная научная программа. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей, в океане и активной зоне атомных реакторов, в животноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без преувеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности.

Особая роль отводится электрическим машинам в космической, авиационной и морской технике. Электрические машины, работающие на передвижных установках, выпускаются в больших количествах. Эти машины должны иметь минимальные габариты при высоких энергетических показателях и высокую надежность. Отдельную область электромеханики составляют электрические машины систем автоматического управления, где электрические машины используются в качестве датчиков скорости, положения, угла и являются основными элементами сложнейших навигационных систем. 
Невозможно для каждого заказчика выпускать отдельную машину, поэтому электрические машины выпускаются сериями. В нашей стране самой массовой серией электрических машин является общепромышленная серия асинхронных машин 4А. На базе единой серии выпускаются различные модификации двигателей, которые обеспечивают технические требования большинства потребителей. Большими сериями выпускаются синхронные машины, машины постоянного тока, микромашины и трансформаторы. Серийное изготовление машин позволяет модифицировать отдельные узлы и детали, применять поточные автоматические линии и обеспечивать необходимый выпуск электрических машин при минимальных затратах. 

В реферате рассматривается теория одного из вида электрических машин – индукторный синхронный двигатель, его характеристики, устройство, переходные и установившиеся режимы работы.

1. Общая характеристика синхронных машин

1. Понятие и принцип действия синхронной машины

Синхронная машина – это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна или кратна частоте вращения вращающегося в зазоре магнитного поля, создаваемого током якорной обмотки. Принцип действия синхронных машин основан на явлении электромагнитной индукции при взаимодействии магнитных полей

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения).

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле (так называемое поле реакции якоря), которое сцепляется с полем индуктора и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создается переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов - электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи Фуко.

Двигательный режим - принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошёл в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.

Существуют комбинированные варианты, в которых на роторе, вместе с постоянными или электромагнитами, установлены короткозамкнутые обмотки. Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Генераторный режим - обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 электрических градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

2. Разновидности синхронных машин

    Конструкция синхронного генератора определяется типом привода, в зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы.

Турбогенераторы – быстроходные неявнополюсные машины (цилиндрический ротор) выполняются, как правило, с двумя полюсами, приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами (рис 1).

Гидрогенераторы – в большинстве случаев тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и вертикальным валом, приводятся во вращение гидротурбинами.

Дизель-генераторы, представляющие собой в основном синхронные машины с горизонтальным валом, приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания.

Рис.1– Турбогенератор

Статор синхронного генератора промышленной частоты по своему устройству в принципе не отличается от статора асинхронной машины. Его сердечник набирают из штампованных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, в пазах сердечника укладывают трехфазную обмотку. Вдоль оси статор разделен вентиляционными радиальными каналами. Крайние пакеты сердечника статора укреплены нажимными плитами.

Гидрогенераторы – явнополюсные синхронные машины, приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50÷500 об./мин., поэтому для получения напряжения частотой 50 Гц их выполняют с большим числом полюсов. В генераторах мощностью 590-640 МВ·А диаметр ротора достигает 16 м, при активной длине 1,75 м.

Гидрогенераторы – электрические машины индивидуального исполнения, имеющие большое многообразие конструктивных решений. Наибольшее распространение получили вертикальные гидрогенераторы подвесного типа (рис. 2а), вертикальные гидрогенераторы

зонтичного типа (рис. 2б) и горизонтальные гидрогенераторы капсульного типа .

Рисунок 2 – Схемы гидрогенераторов подвесного (а) и зонтичного (б) типов

В гидрогенераторах вертикального исполнения вес вращающей части агрегата и давления воды на рабочее колесо турбины воспринимаются упорным подшипником-подпятником. Это самый ответственный узел гидрогенератора, так как он должен выдержать значительные усилия: в тихоходных генераторах большой мощности давление на подпятник измеряется несколькими тысячами тонн.

В гидрогенераторе зонтичного типа подпятник находится ниже сердечника ротора, а подвесного типа – выше.

В гидрогенераторах большой мощности в ряде случаев применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При тех же основных геометрических размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение. Чаще применяют систему смешанного непосредственного охлаждения

Гидрогенераторы мощностью меньшей нескольких десятков мВ·А, выполняют обычно с горизонтальным валом. В последнее время значительное применение получили гидрогенераторы капсульной конструкции, которые окружены водонепроницаемой оболочкой – капсулой. При таком исполнении генератор и турбина

образуют единую конструкцию, а поток воды, проходящий через турбину, омывает капсулу, что способствует более интенсивному ее охлаждению. Капсульные гидрогенераторы устанавливают на низконапорных гидроэлектростанциях, что позволяет существенно уменьшить объем здания электростанции.

В современных синхронных генераторах широко применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения синхронного генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения.

Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.

Синхронные компенсаторы, как правило, имеют горизонтальное исполнение вала. Наиболее часто встречающиеся скорости для достаточно мощных компенсаторов – 750, 1000 об/мин, при которых машина выполняется явнополюсной. Диаметр ротора ограничен максимально допустимой скоростью на поверхности ротора и не превосходит

2.5 м. При таких размерах сердечник  ротора собирается из толстых  стальных листов электротехнической  стали, стягиваемых в осевом направлении  шпильками, и непосредственно насаживается  на вал. Полюса этих машин имеют  такую же конструкцию, как и  в гидрогенераторах. Для синхронных  компенсаторов характерно наличие  роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен  передавать значительный вращающий момент. Синхронные компенсаторы устанавливают в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом, герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала в этих машинах не требуется. Компенсатор имеет принципиально ту же конструкцию статора, что и турбогенератор.

При мощности до 25 МВ·А синхронные компенсаторы имеют воздушное охлаждение, а при больших мощностях – водородное. На валу компенсатора расположены вентиляторы, которые обеспечивают циркуляцию охлажденного газа.

Синхронные электродвигатели

Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.

Синхронные двигатели выполняют с горизонтальным расположением вала. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявнополюсными. Эти машины изготовляются с применением щитовых или стояковых подшипников. Охлаждение двигателей воздушное, с самовентиляцией. В тихоходных машинах на ободе ротора у каждого полюса устанавливаются небольшие лопатки, заменяющие собой вентилятор.

На полюсах двигателей и синхронных компенсаторов, кроме обмотки возбуждения, всегда располагается демпферная обмотка, с помощью которой осуществляется пуск синхронной машины. В зависимости от условий пуска стержни демпферной обмотки могут быть медными и латунными.

2. Индукторные синхронные машины

1. Индукторные синхронные генераторы

Некоторые устройства, например установки индукционного нагрева, гироскопические и радиолокационные устройства, требуют для своей работы переменного тока повышенной частоты, выражаемой сотнями и даже тысячами герц. Получение таких переменных токов посредством синхронных генераторов обычной конструкции сопряжено с непреодолимыми трудностями, так как связано с необходимостью либо увеличения частоты вращения свыше 3000 об/мин, либо чрезмерного увеличения числа полюсов, либо одновременного применения обоих мероприятий. Однако увеличение частоты вращения ведет к возрастанию центробежных усилий в роторе до опасных значений, а увеличение числа полюсов ведет к такому уменьшению полюсного деления , при котором размещение обмотки на статоре становится практически невозможным.

Для получения переменного тока повышенной частоты (до 30 кГц) применяют индукторные генераторы, отличительным признаком которых является то, что за один период магнитный поток в них не меняет своего знака, как в обычных синхронных генераторах, а лишь изменяется от до значений, т. е. пульсирует (рис. 3, а). Пульсирующий поток состоит из двух составляющих: постоянной и переменной , представляющей собой периодически изменяющийся как по значению, так и по направлению магнитный поток с амплитудой  =0,5( - ).Постоянная составляющая потока не наводит в обмотках ЭДС, а переменная составляющая, сцепляясь с рабочей обмоткой генератора, наводит в ней ЭДС.

Существует несколько конструктивных схем индукторных генераторов. Все они основаны на создании пульсаций магнитного потока за счет изменения проводимости магнитной цепи, т. е. за счет зубцовых пульсаций магнитного потока. Для этого статору и ротору генератора придают зубчатую структуру. Когда зубец ротора находится против зубца статора, то магнитный поток в зубце статора приобретает наибольшее значение, когда же против зубца статора расположен паз ротора, то магнитный поток в этом зубце статора становится наименьшим. При этом частота изменений переменного магнитного потока, а следовательно, и частота ЭДС, наведенной в рабочей обмотке этим потоком, пропорциональны числу зубцов ротора 2:

.

Рассмотрим одну из конструкций индукторного генератора, называемую сдвоенной (рис. 3, ). Статор 1 и ротор 5 генератора выполнены сдвоенными. Обмотка возбуждения 2, располагаемая на статоре, подключена к источнику постоянного тока и создает магнитный поток, замыкающийся вдоль вала ротора 4, при этом на каждой части статора (и ротора) возбуждаются полюсы одной полярности. Число зубцов на статоре и на роторе одинаково. Пульсации магнитного потока происходят за счет смещения. 5цов вращающегося ротора относительно зубцов статора. На каждом зубце статора расположена катушка 3, в которой переменной составляющей магнитного потока наводится ЭДС.

Рис. 3. Индукторный генератор сдвоенного типа:

 — график  магнитного потока; б — устройство генератора;

— взаимное расположение зубцов статора и ротора

Весьма важным в индукторных генераторах является обеспечение постоянства общего магнитного потока при вращении ротора, так как в противном случае в обмотке возбуждения 2 будет индуцироваться ЭДС высокой частоты. В рассматриваемом индукторном генераторе постоянство общего магнитного потока обмотки возбуждения обеспечивается тем, что один пакет ротора смещен относительно другого пакета на половину зубцового деления (рис. 23.12, в). Благодаря этому магнитное сопротивление суммарному потоку возбуждения остается неизменным при любом положении ротора. Это позволило ротор генератора сделать стальным монолитным (а не шихтованным) профрезерованными пазами.

Коэффициент полезного действия генераторов индукторного на несколько ниже, чем у генераторов промышленной частоты (50 Гц), из-за повышенных электрических потерь в обмотке статора, обусловленных эффектом вытеснения тока, вызывающего увеличение активного сопротивления обмотки. Отсутствие обмоток на роторе позволяет исключить в индукторном генераторе контактные кольца. Это упрощает конструкцию генератора и повышает его надежность.

Генераторы индукторного типа применяются в качестве возбудителей турбогенераторов серии ТВВ. В отличие от индукторного генератора сдвоенного типа ротор возбудителя имеет шихтованную конструкцию. Вентиляция генератора выполнена по замкнутому циклу с применением газоохладителей.

В индукторных машинах используют принцип генерирования переменного тока, основанный на действии зубцовых гармонических. На статоре индукторного генератора расположены обмотка возбуждения и обмотка якоря, в которой индуцируется переменная ЭДС. Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает неподвижное относительно статора магнитное поле. Роторы индукторных генераторов всех типов выполняют без обмоток с большим количеством зубцов. Отсутствие обмотки возбуждения на роторе, а следовательно, и скользящих контактов для подвода к ней тока, существенно повышает надежность индукторных генераторов по сравнению с синхронными генераторами нормального исполнения. Кроме того, индукторные генераторы позволяют получать токи повышенной частоты (400 - 30 000 Гц), а в синхронных генераторах нормального исполнения, частота которых f1 = рn2/60, это затруднительно (увеличение частоты вращения их ротора ограничено его механической прочностью, а значительное увеличение числа полюсов 2р невозможно по условиям размещения обмоток),

В зависимости от расположения обмотки возбуждения индукторные генераторы подразделяют на генераторы с радиальным и осевым возбуждением. При радиальном возбуждении обмотка возбуждения создает магнитный поток Фв, проходящий через статор и ротор в радиальном направлении. Обмотка якоря расположена в малых пазах пакета статора, а обмотка возбуждения — в больших пазах. При осевом возбуждении магнитный поток Фв замыкается в осевом направлении через ротор.  

В некоторых конструкциях индукторных машин вместо обмотки возбуждения применяют постоянные магниты, потоки которых замыкаются в радиальном или осевом направлении. Зубчатый ротор индукторного генератора создает в различных точках воздушного зазора магнитное сопротивление, которое зависит от того, что находится под рассматриваемой точкой зазора — зубец или паз ротора. При вращении ротора постоянное магнитное поле остается неподвижным, а переменное перемещается вместе с зубцами ротора, индуцируя В проводниках обмотки якоря ЭДС, изменяющуюся с частотой f1 = z2n2/60, где z2 — число зубцов ротора,

где Фпт = 0,5 (Фп mах - Фп min )- амплитуда переменной составляющей магнитного потока одного полюса.

В обмотке возбуждения переменная ЭДС практически не наводится, так как поток, сцепленный с ней, не изменяется. Если на статоре имеются полюсные выступы, то кривая распределения индукции приобретает более сложную форму (рис. 7.9,б). Но и в этом случае первая гармоническая ее индуцирует в обмотке якоря ЭДС, частота изменения которой пропорциональна числу зубцов z2 ротора.

В трехфазном индукторном генераторе (рис. 7.10) каждой фазе обмотки якоря соответствует одна пара полюсов статора. Обмотка возбуждения создает двухполюсное магнитное поле, т. е. каждый полюс, образованный этой обмоткой, состоит из трех полюсов статора (расщеплен на три части). Зубцы соседних полюсов статора смещены относительно зубцов ротора на 1/6 зубцового деления, поэтому максимум магнитного потока перемещается от одного полюса к другому при повороте ротора на 1/6 зубцового деления. При вращении ротора в каждой фазе обмотки якоря индуцируется ЭДС с той же частотой f1 , что и в одной фазной машине, но ЭДС соседних фаз сдвинуты во времени на 120°.

Индукторные генераторы имеют более низкий КПД (0,4—0,5), чем синхронные генераторы нормального исполнения; это объясняется значительным увеличением добавочных потерь мощности в стали сердечника и обмотке якоря из-за высокой частоты перемагничивания.

2. Индукторные синхронные двигатели

Индукторная синхронная машина обратима, т. е. она может работать не только в генераторном, но и в двигательном режиме. Индукторные синхронные двигатели позволяют получать весьма малые частоты вращения без применения механических редукторов. Синхронная частота вращения такого двигателя при частоте питающего напряжения , зависит от числа зубцов 2 в сердечнике ротора: , = 60/ 2. Например, при = 50 Гц и 2 = 100 получим  = 50×60/100 = 30 об/мин.

Для получения вращающегося магнитного поля обмотку статора индукторного двигателя делают либо трехфазной, либо однофазной. В последнем случае на статоре помимо рабочей располагают еще и пусковую обмотку, включаемую в сеть через пусковой конденсатор.

Рис. 23.13. Возбудитель индукторного типа мощностью 2700 кВ×А

1 — статор; 2 — ротор; 3 — газоохладитель

Трех- и двухфазные индукторные машины широко применяют не только в качестве генераторов, но и в качестве двигателей. Синхронная частота вращения их 
n2 = 60f1/z2 , частота вращения магнитного поля статора n1 = 60f1/p.

Отношение  называют коэффициентом редукции; он показывает, во сколько раз частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля, поэтому индукторные двигатели часто называют редукторными. Редукторные двигатели могут быть трех типов: с электромагнитным возбуждением (на статоре или роторе), с постоянными магнитами или без возбуждения (реактивные). В зависимости от расположения обмотки возбуждения или постоянных магнитов различают двигатели с осевым и радиальным возбуждением. Принцип действия реактивного индукторного двигателя можно рассмотреть на примере схемы трехфазной индукторной машины, полагая, что ее обмотка возбуждения разомкнута. В исходный момент времени ось магнитного потока совпадает с осью полюсов 2-2', и ротор расположен так, что магнитное сопротивление для потока, замыкающегося по этой оси, является минимальным. Когда ось вращающегося магнитного потока поворачивается и совпадает с осью полюсов 3-3', на зубцы, расположенные под этими полюсами действует реактивный момент. При этом ротор поворачивается на 1/3 зубцового деления против направления вращения поля так, что зубцы на роторе встают против зубцов на полюсах 3-3'. При дальнейшем вращении магнитного поля происходит вращение ротора, но повороту поля на половину окружности якоря 0,5πDa соответствует поворот ротора всего на одно зубцовое деление πDa /z2. Таким образом, коэффициент редукции

kред = 0,5πDa z2 /(πDa ) = 0,5z2 .

В общем случае частота вращения ротора

п2 = п1 /kред = 2•60f1 /(рz2 ).

Обычно 2р = 2 и частота вращения ротора

На рис. 7.11 показана другая разновидность редукторного реактивного двигателя, в котором на статоре нет гребенчатых выступов, а имеются пазы, число которых больше или меньше числа пазов ротора, т. е. зубцовые деления статора и ротора различны. Вращающий момент в таком двигателе возникает по тем же причинам, что и в рассмотренном выше двигателе (см. рис. 7.10). Ротор в редукторном двигателе может вращаться как по направлению, так и против направления вращения магнитного поля статора. Это зависит от соотношения зубцовых делений статора и ротора.

Пуск редукторных двигателей осуществляется с помощью короткозамкнутой обмотки, расположенной на роторе. Если частота вращения низка, а ротор имеет малый момент инерции, то он может втягиваться в синхронизм непосредственно, без каких-либо пусковых приспособлений. Таким способом запускаются двигатели, у которых ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля.