Назначение и принцип действия синхронной машины

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). 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.

В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широко применяются различные синхронные микромашины—с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

Принцип действия. Статор 1 синхронной машины (рис.10−1,а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис.10−1,б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой п₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой.

f₁=pn₂/60. (10−1)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток 1_а создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого.

n₁ = 60f₁/p. (10−2)

Из (10−1) и (10−2) следует, что п₁=п₂, т. е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_рез синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, — индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис.10−1) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность.

При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой I₁ проходящий по обмотке ток создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (10−2). В результате взаимодействия этого поля с током I_в, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме — тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения п₁=п₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

• а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п₂ = п₁;
• б) частота изменения ЭДС E, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения poтopa;
• в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индyциpyeтcя; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.