Дмитрий Левкин

Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся , состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Принцип работы

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется можно прочитать в статье " ".

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Синхронная скорость

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

• где N s – частота вращения магнитного поля, об/мин,
• f – частота тока статора, Гц,
• p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка - прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается "беличья клетка", которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках "беличьей клетки" и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются .

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно "беличья клетка" не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Выход из синхронизма

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронный компенсатор

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами . В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

– это электрические машины переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно.

Трехфазные синхронные генераторы – самые мощные электрические машины. Единичная мощность - синхронных генераторов на ГЭС - 640 МВт, а на ТЭС – 8 - 1200 МВт.

У синхронной машины одна из обмоток присоединена к электрической сети переменного тока, а вторая - возбуждается постоянным током. Обмотку переменного тока называют якорной.

Обмотка якоря преобразует всю электромагнитную мощность синхронной машины в электрическую и наоборот. Поэтому ее обычно располагают на статоре, который называют якорем. Обмотка возбуждения потребляет 0,3 - 2% от преобразуемой мощности, поэтому ее располагают обычно на вращающемся роторе, который называют индуктором и малую мощность возбуждения подводят через контактные кольца или устройства бесконтактного возбуждения.

Магнитное поле якоря вращается с синхронной скоростью n1 = 60f1/p, об/мин,

где p =1,2,3 ... 64 и т.д. - число пар полюсов.

При частоте промышленной сети f1 = 50 гц, ряд синхронных скоростей при различных числах полюсов: 3000, 1500, 1000 и т.д.). Так как магнитное поле индуктора неподвижно относительно ротора, то для непрерывного взаимодействия полей индуктора и якоря ротор должен вращаться с той же синхронной скоростью.

Конструкция синхронных машин

Статор синхронной машины с трехфазной обмоткой не отличается от конструкции , а ротор с обмоткой возбуждения бывает двух видов - явнополюсный и неявнополюсный. При больших скоростях и малом числе полюсов применяют неявнополюсные роторы, как имеющие более прочную конструкцию, а при малых скоростях и большом числе полюсов применяют явнополюсные роторы сборной конструкции. Прочность таких роторов меньше, но они проще в изготовлении и в ремонте.

Явнополюсный ротор:

Применяются в синхронных машинах с большим числом полюсов и соответственно относительно низкой n. ГЭС (гидрогенераторы). частота n от 60 до нескольких сотен об/мин. Самые мощные гидрогенераторы имеют диаметр ротора - 12 м при длине – 2,5 м, p – 42 и n= 143 об/мин.

Кроме обмотки возбуждения на роторе располагают демпферную или успокоительную обмотку, которую в синхронных двигателях используют для запуска. Эту обмотку выполняют аналогично короткозамкнутой обмотке типа "беличья клетка", только значительно меньшего сечения, так как основной объем ротора занимает обмотка возбуждения. В неявнополюсных роторах роль демпферной обмотки выполняют поверхности сплошных зубцов ротора и токопроводящие клинья в пазах.

Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель.

Смотрите также по этой теме:

Синхронная машина может работать генератором или двигателем. Синхронная машина может работать в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения.

Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Синхронный двигатель отличается от синхронного генератора лишь пусковой успокоительной обмоткой, которая должна обеспечивать хорошие пусковые свойства двигателя.

Схема шестиполюсного синхронного генератора. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник.

Режим генератора: двигатель (турбина) вращает ротор, на обмотку которого подается постоянное напряжение? возникает ток, который создает постоянное магнитное поле. Магнитное поле вращается вместе с ротором, пересекает статорные обмотки и наводит в них одинаковые по модулю и частоте ЭДС, но сдвинутые на 1200 (симметричная трехфазная система).

Режим двигателя: обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент Мвр, который приводит ротор во вращение со скоростью магнитного поля.

Механическая характеристика синхронного двигателя – зависимость n(M)– представляет собой горизонтальный отрезок прямой.

Массовое использование асинхронных двигателей с существенными недогрузками осложняет работу энергетических систем и станций: снижается коэффициент мощности в системе, что приводит к дополнительным потерям во всех аппаратах и линиях, а также и к их недоиспользованию по активной мощности. Поэтому возникла необходимость в применении синхронных двигателей, особенно для механизмов с приводами большой мощности.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosфи = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U 2 .

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При эксплуатации синхронных двигателей возникли существенные трудности с их пуском. В настоящее время эти трудности преодолены.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при больших мощностях их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Синхронные двигатели промышленного назначения получают электромагнитное возбуждение от независимого источника постян- ного тока. В качестве таких источников используют: генераторы постоянного тока (возбудители), которые могут располагаться на одном валу с синхронным двигателем (рис. 7.6,6) или приводиться во вращение отдельным двигателем (рис. 7.6,я); тиристорные управляемые выпрямители, которые могут получать питание от промышленной сети (рис. 7.6,в), либо от специального генератора переменного тока, располагаемого на одном валу с синхронным двигателем. В последнем случае (рис. 7.6,г) полупроводниковые выпрямители располагаются на роторе синхронной машины (система с вращающимися выпрямителями), поэтому не требуются щетки и кольца для подвода тока к обмотке возбуждения, т.е. синхронная машина становится бесконтактной.

Во время разгона, когда двигатель работает в асинхронном режиме, возбудитель может быть подключен к обмотке ротора при снятом напряжении возбудителя (схема с глухоподключенным возбудителем), а может быть отключен от обмотки возбуждения контактором КМ (см. схемы на рис. 7.1 и 7.6). В последнем случае обмотка возбуждения замыкается на сопротивление или замыкается накоротко. Оставлять концы обмотки возбуждения во время разгона разомкнутыми нельзя, так как в обмотке при больших скольжениях наводится значительная ЭДС скольжения.

При использовании в качестве возбудителя тиристорного преобразователя или вращающихся выпрямителей во время пуска обмотка возбуждения закорачивается через шунтирующие тиристоры.

Рис. а - от отдельного мотор-генератора; 6 - от генератора, расположенного на валу синхронного двигателя; в - от тиристорного возбудителя; г- от встроенного генератора

Рассмотрим схему на рис.7.6,в. При пуске двигателя в асинхронном режиме напряжение тиристорного преобразователя UD равно нулю. В обмотке возбуждения индуктируется переменная ЭДС скольжения, под действием которой через стабилитроны VD открываются вспомогательные тиристоры VS, и обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление R. Когда двигатель достигает подсинхронной скорости, ЭДС скольжения становится малой, стабилитроны запираются, и тиристоры VS отключают разрядное сопротивление, после чего в обмотку возбуждения подается постоянный ток от преобразователя UD.

В последние годы получили распространение возбудители, встроенные в конструкцию синхронной машины (см. рис. 7.6,г). Возбудитель состоит из синхронного генератора Г, ротор которого расположен на валу синхронного двигателя Д, неуправляемого выпрямителя, вспомогательных тиристоров VS и разрядных сопротивлений R2 и R3, также размещенных на валу синхронного двигателя. Регулирование тока возбуждения производится изменением тока возбуждения генератора Г. По достижении подсинхронной скорости цепи, шунтирующие обмотку возбуждения, размыкаются, и в обмотку подается постоянный ток, после чего двигатель втягивается в синхронизм, его скорость достигает синхронной, и в дальнейшем он работает в синхронном режиме.

Регулирование тока возбуждения двигателя при работе в синхронном режиме осуществляется, как правило, САР возбуждения. Она выполняет две основные функции. Первая - обеспечение устойчивой работы в синхронном режиме. При набросах нагрузки или при снижении питающего напряжения САР возбуждения форсирует (увеличивает) ток возбуждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент двигателя в синхронном режиме (см. рис. 7.4). Вторая - осуществление автоматического регулирования реактивной мощности, циркулирующей в статорной цепи двигателя.

Структурная схема тока возбуждения строится обычно двухконтурной (рис. 7.7). Внутренний контур тока возбуждения служит для стабилизации заданного тока возбуждения. Регулятор тока возбуждения р () принимается пропорциональным или пропорционально-интегральным. Обеспечение поддержания постоянным заданного ф достигается формированием сигнала задания тока возбуждения с положительной обратной связью по значению действительного ф цепей статора:

Если ток возбуждения, соответствующий U B недостаточен для получения заданного коэффициента мощности при данной нагрузке, то компаундирующая обратная связь увеличивает ток возбуждения. Увеличение коэффициента повышает точность поддержания заданного ф, но вызывает колебания тока статора при приложении нагрузки. Для уменьшения колебательности тока статора в схеме предусмотрена гибкая обратная связь по действующему значению тока статора. Гибкую обратную связь формируют как дифференцирующее звено с фильтром.

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

Страница 5 из 7

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

Большинство синхронных машин имеет электромагнит-ное возбуждение. Источниками постоянного тока для обмо-ток возбуждения являются специальные системы возбуж-дения, к которым предъявляется ряд важных требований:

1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуж-дения в любых режимах работы машины;

2) достаточное быстродействие, для чего применяется форсировка возбуждения, т. е. быстрое увеличение напря-жения возбуждения до предельного значения, называемого потолочным. Форсировка возбуждения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварий и в процессе ликвидации их последствий. Потолочное напряжение возбуждения выбирают не менее 1,8-2 номи-нального напряжения возбуждения. Скорость нарастания напряжения при форсировке возбуждения должна быть не менее 1,5-2 номинальных напряжений на контактных кольцах ротора в секунду;

3) быстрое гашение магнитного поля, т. е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного по-вышения напряжения на ее обхмотках. Необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или по-вреждении в нем.

Для возбуждения синхронных машин применяется не-сколько систем. Простейшей из них является электрома-шинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 15). В этой системе в качестве источника ис-пользуют специальный генератор постоянного тока GE , на-зываемый возбудителем; он приводится во вращение от ва-ла синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины I в относительно велик и составляет не-сколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулиру-ют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA , называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R ш2 при работе генератора не изменяется.

Для гашения магнитного поля применяют автомат га-шения поля (АГП), который состоит из контакторов К 1 и К 2 и гасительного резистора R p . Гашение поля проводит-ся в следующем порядке. При включенном контакторе К 1 включается контактор К 2 , замыкающий обмотку возбуж-дения на гасительный резистор, имеющий сопротивления r p ≈5 r в, где r в - сопротивление обмотки возбуждения. За-тем происходит размыкание контактора К 1 и ток в цепи об-мотки возбуждения генератора уменьшается (рис. 17).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля от-ключением только одного контактора К 1 без включения га-сительного резистора. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой ин-дуктивности обмотки возбуждения L в в ней индуктирова-лась бы большая ЭДС самоиндукции е= - L в ∙ di в / dt , превы-шающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К 1 при его отключении выделя-лась бы значительная энергия, запасенная в магнитном по-ле обмотки возбуждения, что могло бы вызвать разрушение контактора.

Форсировка возбуждения при использовании схем на рис. 15 и 16 осуществляется шунтированием резисто-ра R ш1 включенного в цепь возбуждения возбудителя.

В последнее время вместо электромашинных систем по-лучают все большее применение вентильные системы воз-буждения с диодами и тиристорами. Эти системы возбуж-дения могут быть построены на большие мощности и явля-ются более надежными, чем электромашинные.

Различают три разновидности вентильных систем воз-буждения: систему с самовозбуждением, независимую си-стему возбуждения и бесщеточную систему возбуждения.

В вентильной системе с самовозбуждением (рис. 18) для возбуждения синхронной машины используется энер-гия, отбираемая от обмотки якоря основного генератора G , которая затем преобразуется статическим преобразователем ПУ в энергию постоянного тока. Эта энергия поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генерато-ра происходит за счет остаточного намагничивания его по-люсов.

В вентильной независимой системе возбуждения (рис. 19) энергия для возбуждения получается от специально го возбудителя GN , выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его укреплен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрям-ляется и подводится к обмотке возбуждения.

Разновидностью вентильной независимой системы воз-буждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины раз-мещается якорь возбудителя переменного тока с трехфаз-ной обмоткой. Переменное напряжение этой обмотки с по-мощью выпрямительного моста, закрепленного на валу машины, преобразуется в постоянное напряжение и непо-средственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от независи-мого источника.