Синхронные электрические машины. Принцип действия

Синхронно  (от греч. σύγχρονα, σύγ — вместе, χρονα – время) — используется в русском языке для обозначения (наименования) процессов совпадающих во времени.

Синхронными, в электротехнике, принято называть машины переменного тока, в процессе работы которых частоты вращения ротора и вращающегося магнитного поля статора равны (n2= n1, рис.1,а). Конструктивно ротор синхронных машин выполняется так, что в его обмотках ЭДС. не индуктируется (как в асинхронных, где ЭДС индуктируется полем статорных обмоток), а магнитное поле создаётся как результат протекания постоянного тока подводимого от внешнего источника ЭДС, или с помощью постоянных магнитов.

На рис.1,б изображена схема подключения синхронной электрической машины как двигателя, где при наличии напряжения U1 на статорных обмотках 3 и Uв на обмотке 4 ротора 2  последний будет вращаться. При этом, частота вращения ротора, в установившемся режиме, будет соответствовать частоте вращения магнитного поля создаваемого обмотками статора.

Из чего состоит и как работает синхронный электродвигатель
Рис.1. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема её подключение, как двигателя, к сети трёхфазного тока (б) , где: 1- статор, 2 – ротор, 3 — обмотка статора , 4 — обмотка возбуждения , 5- контактные кольца, 6 – щётки, n2 – частота вращения ротора, n1 – частота вращения магнитного поля статора.

Синхронные машины очень часто применяют не только как двигатели, но и как генераторы. Если вместо внешнего напряжения U1 (рис.1,б ) к выводам обмоток статора подключить нагрузку, а на обмотку ротора подать Uв (посредством контактных колец 5 и щёток 6) и начать его вращать, например соединив его с валом другого двигателя, то как результат пересечения потоком возбуждения ротора проводников обмоток статора на его фазных обмотках начнёт индуктироваться переменная э.д.с.(напряжение) и по нагрузке потечёт ток. Зависимость частоты сгенерированного таким образом напряжения от частоты вращения магнитного потока ротора:

f1 =  p x n2 / 60    (1)

где:  f1 – частота сгенерированного напряжения; n2 – частота вращения магнитного поля ротора; p – число пар полюсов электрической машины (генератора).

В обмотках статора (при подключённой к ним нагрузке), в свою очередь, начнёт протекать ток создающий вращающееся магнитное поле статора:

n1 =  60 x f1 / p    (2)

где:  n1 – частота вращающегося магнитного поля статора; f1 – частота сгенерированного в обмотках статора напряжения; p – число пар полюсов электрической машины (генератора).

Из выражений (1) и (2) следует, что  n1= n2  а это означает, что частоты вращения ротора и магнитного поля статора равны, т.е. синхронны. Поэтому рассматриваемую нами машину называют синхронной. Для такой машины характерно, что результирующее магнитное поле вращается с той же частотой что и ротор, т.к. результирующий магнитный поток Фрез. создаётся в результате взаимодействий МДС обмотки возбуждения ротора(индуктора) и обмотки статора(якоря).

Для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

  • как в двигательном так и в генераторном режимах, ротор машины вращается с  частотой равной частоте вращающегося магнитного поля создаваемого статором,  то есть n2= n1 (рис.1,а) ;
  • частота изменений индуктируемой в обмотках статора(якоря) ЭДС Е , пропорциональна  частоте вращения ротора(индуктора);
  • в обмотке ротора э.д.с. не индуктируется, а подводится извне, то есть её МДС создаётся от  внешнего источника возбуждения Uв и не зависит от режима работы (двигательного или генераторного).

Очень часто вместо обмоток ротора, для создания МДС, используют набор из постоянных магнитов, что исключает необходимость использования  внешнего источника возбуждения Uв.

В энергетике, синхронные машины , главным образом, применяют для преобразования механической энергии от первичных двигателей(или турбин) в электрическую энергию переменного тока, то есть в качестве генераторов. В других отраслях большее применение находят двигатели.

Синхронные двигатели бывают: с обмотками возбуждения, с постоянными магнитами, реактивные, гистерезисные, реактивно-гистерезисные, шаговые. Маломощные синхронные микродвигатели широко используют в системах автоматики, бытовых приборах, фотоаппаратах, часах и так далее. Двигатели с постоянными магнитами различной мощности применяют, в следящих приводах систем ЧПУ, в бытовой и автомобильной технике, и так далее.

Трехфазные синхронные машины широко применяют в промышленных установках, а однофазные в приводах компрессоров, вентиляторов, в автоматических приборах и так далее.

По сравнению с асинхронными, синхронные электрические двигатели выгодно отличаются гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой. При ударных нагрузках намного лучше, чем асинхронные сохраняют постоянство частоты вращения, что немаловажно, особенно в таких отраслях как металлургия и металлообработка. Синхронные электрические двигатели могут развивать мощность до 20 тыс. киловатт и  “более”…

К недостаткам синхронных электрических машин можно отнести их конструктивную сложность, наличие внешнего возбуждения обмоток ротора, сложность запуска “в отдельных случаях”, относительно высокая стоимость.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *