какая синхронная машина называется явнополюсной
Устройство синхронных машин
Синхронной называется машина переменного тока, ротор которой вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора. Частота вращения синхронной машины в установившемся режиме не зависит от ее нагрузки и определяется частотой тока сети ƒ числом пар полюсов р машины: n = 60ƒ/р. Синхронные машины выпускаются с двумя типами роторов: явнополюсными и неявнополюсными.
Рис. 84. Синхронная машина:
1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — полюс ротора; 4 — контактные кольца; 5 — подшипниковый щит; 6 — подшипник (корпус); 7 — вал; 8 — станина.
В станину синхронной машины с явнополюсным ротором запрессован сердечник 1 статора, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2 (рис. 84). В расточке сердечника статора размещен ротор. На валу явнополюсного ротора укреплены полюса 3 с обмотками возбуждения. Питание к обмоткам возбуждения подводится с помощью щеток и колец 4, изолированных от вала и друг от друга. Вал 7 опирается на подшипники 6, расположенные в подшипниковых щитах 5.
Явнополюсные роторы применяют при сравнительно невысоких частотах вращения синхронных машин (до 1500 об/мин) (рис. 85, а). Станина 13 имеет цилиндрическую форму и изготовляется литьем из серого чугуна, силумина. Внутри станина имеет продольные ребра 14, между которыми запрессован с помощью нажимных колец 10, пальцев 11 и шпилек 15 сердечник статора 12.
Сердечник статора изготовляют шихтовкой листов, штампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Внешняя окружность листов имеет выступы или впадины для фиксации их в ребрах станины при сборке. По внутренней окружности заготовок сердечников равномерно предусмотрены пазы, в которых располагают активные проводники обмотки 9 статора. При сборке сердечника между пакетами 12 прокладывают листы с приваренными дистанционными прокладками, образующими вентиляционные каналы.
Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов 5 и ярма 2, укрепленных на корпусе 16 (рис. 85, а). Полюса набирают из листов стали толщиной 1 — 1,5 мм и прессуют между литыми или кованными нажимными щеками 4 с помощью шпилек 15.
Ярма роторов машин малой и средней мощности выполняют массивными. В этом случае полюсы крепят к ярму радиальными болтами. В машинах большой мощности ярма выполняют шихтованными из штампованных листов стали СтЗ толщиной до 6 мм. Из листов образуют пакеты 2, разделенные каналами 3, и прессуют их стяжными шпильками. Полюсы соединяют с ярмом креплением Т-образных хвостовиков 18 в пазах ярма клиньями 17. На каждом полюсе установлена катушка 6 обмотки возбуждения. Выводы 1 от обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами (не показаны).
В круглых пазах на поверхности полюсов уложены стержни 8 проводников успокоительной (демпферной) обмотки ротора, замкнутые на торцах накоротко кольцами 7.
Неявнополюсный ротор представляет собой цельную массивную цилиндрическую поковку, в которой сердечник ротора совмещен с валом (рис. 85, б). Для изготовления ротора (если его диаметр не превышает 800 мм) применяют углеродистую сталь. При больших размерах для повышения механической прочности конструкции используют специальную легированную сталь.
Неявнополюсный ротор (рис. 85, б) подвергается обработке, в процессе которой высверливается осевой канал 27, который необходим для контроля качества поковки и уменьшения внутренних напряжений в металле. Наружная поверхность бочки 25 имеет винтовую канавку глубиной и шириной около 5 мм для улучшения условий охлаждения. По образующим активной части профрезерованы пазы 19 и осевой охладительный канал 21 в большом зубе 26, свободном от обмотки. Пазы 19 с обмоткой 6 и аксиальные каналы забиты клиньями 20, которые держат обмотки. Выводы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами 24. Лобовые части обмотки укреплены бандажами 22 из высокопрочной немагнитной стали. Бандажи охватывают центрирующие кольца 23, которые выполняют упругими.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Практически все синхронные машины имеют одинаковое конструктивное исполнение. Одной из их важнейших характеристик является полюсность. Она определяется конструктивными параметрами устройства.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Чтобы понять, как устроены явнополюсная и неявнополюсная синхронные машины необходимо знать из чего состоит их конструкция. Она включает в себя неподвижный элемент – статор, представлящий собой корпус, внутри которого размещен цилиндрический сердечник с тонкими пластинами, а также пазами, предназначенными для укладки обмотки статора. Сердечник с обмоткой называют якорем. В середине статора расположен ротор и именно он определяет тип машины: явнополюсный или неявнополюсный. На изображении визуально видны их отличия:
Явнополюсной ротор синхронной машины и неявнополюсный
Уже понятно, какая синхронная машина называется явнополюсной и как она выглядит. Теперь необходимо понять, где применяются явнополюсные роторы в синхронных машинах. Они применяются на низких частотах вращения, например, в гидрогенераторах. Как правило, их используют в агрегатах с 4 полюсами и более. Обмотку возбуждения в таком исполнении создают в виде цилиндрических катушек, которые устанавливают на сердечниках полюсов и фиксируют с помощью полюсных наконечников. Машины с таким исполнением ротора широко используются в качестве дизель-генераторов.
Что касается представителей неявнополюсных машин, то самыми популярными являются турбогенераторами, которые, как правило, используются для соединения с паровыми турбинами.
Конструкции синхронных машин.Работа и характеристики синхронных машин.Явнополюсный ротор
Любая синхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (рис.5.1). Статор и ротор разделены воздушным промежутком, который в больших синхронных машинах, как правило, значительно больше, чем в асинхронных машинах, одинаковых по мощности.
По конструкции статор синхронной машины принципиально не отличается от статора асинхронной машины.
Сердечник статора 1 набирают из штампованных изолированных листов электротехнической стали. В пазах статора располагают обмотку переменного тока 2 (как правило, трехфазное). На валу 4 закрепляют ротор 3 с обмоткой возбуждения. Концы этой обмотки подводят к контактным кольцам 5. Для подачи постоянного тока в обмотку возбуждения по контактным кольцам скользят щетки 6. Источником постоянного тока в рассматриваемой машине служит возбудитель 7, представляет собой генератор постоянного тока, якорь которого закреплен на общем валу с ротором синхронной машины.
Рис. 5.1. Устройство явнополюсной синхронной машины
Постоянный ток, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитное поле ротора-поле возбуждения.
Роторы синхронных генераторов бывают с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.
Явнополюсный ротор (рис.5.2) состоит из вала 1, на котором закреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 2. Сердечники полюсов заканчиваются полюсными наконечниками 3, обычно обрабатывают таким образом, чтобы воздушный промежуток между полюсным наконечником и статором получался неравномерным. Он минимальный под серединой полюса и максимальный у его краев (рис.5.3, d 2> d 1). Делается это для того, чтобы кривую магнитной индукции В 0 в воздушном промежутке, имеет форму трапеции при равномерном промежутка 1, максимально приблизить к синусоиде 2.
Синхронные машины с явно выраженными полюсами, как правило, многополюсные. Они обычно рассчитываются на небольшие частоты вращения.
Гидрогенераторы всегда явнополюсные. Так как при малых частотах вращения n 1 (которые развивает турбина) гидрогенераторы должны выдавать электроэнергию промышленной частоты 50 Гц, то они должны иметь большое число пар полюсов:[adsense_id=»1″]
Роторы генераторов имеют большой диаметр (для размещения полюсов) и малую длину.
Турбогенераторы являются быстроходными синхронными машинами. Объясняется это высокой частотой вращения турбин, КПД которых увеличивается с повышением частоты вращения. Как правило, турбогенераторы изготавливаются двухполюсный (2р = 2) и имеют частоту вращения n 1 = 3000 об / мин.
При такой большой частоте вращения явнополюсна конструкция ротора непригодна из-за недостаточной механической прочности. Поэтому турбогенераторы должны неявнополюсными ротор — кованый стальной цилиндр профрезованимы продольными пазами для укладки обмотки возбуждения (см. рис.5.7, б). Неявнополюсными роторы имеют сравнительно небольшой диаметр при значительной длине.
Рис. 5.2. Явнополюсный ротор Рис. 5.3. Распределение магнитной индукции в промежутке синхронной машины
В синхронных машинах используются два способа возбуждения: электромагнитное возбуждение и возбуждение постоянными магнитами.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения постоянным током различают независимое возбуждение и самовозбуждение.
При независимом возбуждении для получения постоянного тока используют возбудитель С (см. рис.5.1), который располагается на одном валу с синхронной машиной и представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого не превышает 2 ¸ 5% от мощности синхронной машины.
При самовозбуждении для питания обмотки возбуждения постоянным выпрямленным током, получаемой от генератора, используются выпрямители.
В случае возбуждения постоянными магнитами ротор не имеет обмотки возбуждения, а его полюса представляют собой постоянный магнит. Это дает возможность получить машину без контактных колец, а потому, повысить ее надежность и КПД.
На полюсных наконечниках явно выраженных полюсов ротора имеются пазы, в которых укладывают стержни демпферной короткозамкнутой обмотки. Эта обмотка служит для успокоения ротора в генераторах, а также для пуска в синхронных двигателях.
Синхронные машины небольшой мощности иногда изготовляют обратными (по типу машин постоянного тока).
У таких машин обмотка переменного тока располагается в пазах ротора и выводится до трех контактных колец, а обмотка возбуждения располагается на явно выраженных полюсах статора. Мощными эти машины не производятся, так как при такой конструкции через контактные кольца приходится пропускать большой переменный ток (главный ток машины) при высоком напряжении, тогда как в машинах обычного исполнения через контактные кольца ротора приходит небольшой по величине ток возбуждения при напряжении до 440 В.
Синхронные двигатели малых мощностей разнообразны по конструкции.
Васюра А.С. — Книга «Электромашинные элементы и устройства систем управления и автоматики» часть 2
Устройство и принцип действия синхронной машины.
В отличие от асинхронных электрических двигателей с короткозамкнутым статором, синхронные машины встречаются редко.Однако они присутствуют в тех местах, где необходим крупный вращающий элемент и в работе возможны частые перемены нагрузки.
Кроме того, данный вид машин применяют там, где требуется хорошая напряженность, чтобы запустить процессы устройства.
Это происходит благодаря большому уровню мощности и преимуществу улучшать показатель силы электросети. Это значительно уменьшит расходы на электричество и нагрузку на линии.
В данной публикации мы расскажем о том, что это за прибор, сферы его применения, положительные и отрицательные свойства.
Синхронные машины. Принцип работы. Явнополюсные и неявнополюсные машины.
Синхронные машины это такие машины переменного тока, в которых частота движения ротора равно частоте тока в статоре. А, следовательно, определяется частотой питающей сети. Для производства электричество чаще всего используют синхронные генераторы. А синхронные двигатели отличаются тем, что у них скорость вращения постоянна и не зависит от нагрузки.
Все синхронные машины в принципе имеют одинаковую конструкцию. Они состоят из неподвижной части, которую называют статором. Он представляет собой корпус внутри, которого закреплён сердечник. Сердечник имеет цилиндрическую форму и набирается из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. В сердечнике с внутренней стороны имеются пазы, в которые уложена обмотка статора. Сердечник вместе с обмоткой называется якорем.
Внутри статора находится ротор, представляющий собой цилиндрической формы сердечник из сплошной стали который находится на валу. На сердечнике ротора намотана обмотка возбуждения, которая запитывается постоянным током потому нет необходимости делать сердечник ротора из шихтованной стали. Так как магнитный поток ротора постоянный.
Ток к ротору подводится через скользящие контакты в виде колец находящихся на валу, к которым прижаты графитовые щетки. Кольца изолированы друг от друга и от вала. А к ним подключены концы обмотки возбуждения. Сердечник ротора с обмоткой возбуждения называются индуктором.
Обмотка возбуждения размещается на роторе, так как ток возбуждения имеет малую величину по сравнению с током якоря. Иногда синхронные машины выполняют и наоборот. Это когда индуктор находится на статоре, а якорь на роторе. Ток возбуждения подводится к статору, а якорный ток, например для двигателя подводится к ротору.
Все синхронные машины можно разделить на два вида. Первый из них это синхронные машины, у которых ротор выполнен с неявно выряженными полюсами. Неявно выраженные полюса это когда обмотка ротора равномерно уложена в пазы сердечника. Не имея при этом явно выраженных полюсов. Это, как правило, высоко оборотистые машины. Так как на высокой скорости вращения ротор с явно выраженными полюсами будет испытывать высокие динамические нагрузки.
Синхронные машины с явно выряженными полюсами применяют на низких частотах вращения. Это, как правило, гидрогенераторы. Поскольку ротор вращается под напором столба воды, а создать на реке большой перепад воды достаточно сложно.
На роторе явно полюсной машины отчетливо выделяются магнитные полюса, на которые укладывается обмотка возбуждения.
Рассмотрим принцип действия синхронной машины на примере генератора переменного тока. К индуктору генератора подводится постоянный ток от внешнего источника тока. Этот ток создает основной магнитный поток, который пронизывает обмотки якоря. Обмотки якоря имеют одинаковое число витков и уложены друг относительно друга со смещением в 120 градусов.
При вращении ротора в обмотках статора наводится эдс вследствие электромагнитной индукции. Чтобы ток в обмотках якоря изменялся по синусоидальному закону, в явно полюсных машинах применяют полюсные наконечники особой формы. То есть воздушный зазор между полюсным наконечником и якорем не однородный, а изменяется с движением от середины к краю. Таким образом, магнитное поле в зазоре будет изменяться по закону близкому к синусоидальному.
Разновидности
Мы предоставили подробное описание самого популярного вида электродвигателей переменного тока. Его чаще всего можно встретить на заводах. Но существуют еще некоторые разновидности, среди них:
Оставшиеся три вида двигателей функционируют благодаря специальному устройству движимой части, и, как предыдущие, не имеют щеток. К примеру, у реактивных электрических двигателей есть несколько конструкций ротора:
Не будем вдаваться в подробности их функционирования, поскольку они займут достаточно много времени.
Вероятнее всего, что такие двигатели в реальной жизни вы можете не встретить, чаще всего – это аппараты с небольшой мощностью, применяемые в автоматике.
Явнополюсный синхронный двигатель
Явнополюсные синхронные двигатели мощностью до нескольких сот киловатт, а иногда и больше, рассчитываются на прямой пуск от полного напряжения сети с учетом, что их пусковые токи при этом превышают номинальные в четыре-пять раз. [1]
Явнополюсные синхронные двигатели мощностью до 1000 кВт, как правило, допускают несинхронное включение. Для двигателей выше 1000 кВт допустимость несинхронного включения определяется [51] током или моментом при несинхронном включении. [2]
Явнополюсные синхронные двигатели выполняются в СССР на мощности от 40 до 7500 кет включительно на все стандартные напряжения и для скоростей вращения от 1000 до 125 об / мин. Однако в последнем случае двигатель должен иметь большую намагничивающую силу ротора, и его якорь должен быть рассчитан на больший ток. [3]
Явнополюсные синхронные двигатели и компенсаторы имеют в общем такую же конструкцию, как и Явнополюсные генераторы. На роторе двигателей и компенсаторов ( рис. 1 — 15), кроме обмотки возбуждения, устанавливается также пусковая обмотка, отличающаяся от успокоительных обмоток генераторов только тем, что стержни выполняются из сплавов с повышенным удельным сопротивлением. [4]
Явнополюсные синхронные двигатели выполняются в СССР на мощности от 40 до 7500 кет включительно на все стандартные напряжения и для скоростей вращения от 1000 до 125 об / мин. Однако в последнем случае двигатель должен иметь большую намагничивающую силу ротора, и его якорь должен быть рассчитан на больший ток. [5]
Реактивными называются явнополюсные синхронные двигатели без обмотки возбуждения на роторе. [7]
Более широкое распространение имеют явнополюсные синхронные двигатели с диапазоном частот вращения от 1500 до 100 об / мин мощностью от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч киловатт. [8]
Анализ выражения (13.1) электромагнитного момента явнополюсного синхронного двигателя показывает, что при отсутствии магнитного потока возбуждения полюсов ротора ( Е0 0) первое слагаемое, представляющее основной электромагнитный момент, равно нулю. [9]
Рассмотрим работу и векторную диаграмму напряжений обыкновенного явнополюсного синхронного двигателя в режиме недовозбуждения. [10]
На рис. 27 6 слева от оси ординат представлена кривая результирующей электромагнитной мощности явнополюсного синхронного двигателя по уравнению (27.2) при углах б 0 ( кривая /), которая располагается ниже оси абсцисс. [13]
В несимметричных машинах процесс пуска зависит от положения ротора относительно статора. При пуске явнополюсных синхронных двигателей переходной процесс определяется положением ротора и моментом включения. Хотя явнополюсная синхронная машина в установившемся режиме — симметричная машина, при пуске в асинхронном режиме это машина несимметричная. [14]
В несимметричных машинах процесс пуска зависит от положения ротора относительно статора. При пуске явнополюсных синхронных двигателей переходный процесс определяется положением ротора и моментом включения. Хотя явнополюсная синхронная машина в установившемся режиме — симметричная машина, при пуске в асинхронном режиме это машина несимметричная. [15]
Разновидности синхронных машин
К основным видам синхронных электрических машин относятся: ударные генераторы, гидрогенераторы, машины двойного действия, турбогенераторы, синхронные компенсаторы. В ударных генераторах синхронный генератор предназначен для кратковременной работы машины в режиме короткого замыкания. Гидрогенератор представляет собой синхронный генератор, который вырабатывает электрическую энергию от гидротурбины. В машинах двойного действия создаются несинхронные режимы, за счет питания обмоток статора и ротора токами, обладающих разной частотой. В турбинных генераторах генератор функционирует от газовой или паровой турбины при высоких скоростях вращения ротора. Синхронный компенсатор предназначен для выработки реактивной мощности в режиме холостого хода.
Нужна консультация преподавателя в этой предметной области? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос
Принцип работы
На основании п.53 ГОСТ 27471-87 понятие синхронного двигателя подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. У которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальной работе.
С практической стороны это выглядит следующим образом:
В результате такого взаимодействия возникает поступательное вращение вала синхронного двигателя вокруг своей оси. Так как в индукторе постоянно присутствуют сформированные независимым источником силовые линии, частота его вращения полностью соответствует частоте напряжения, подаваемого в обмотки якоря. Возникает синхронизм в двигателе.
Устройство
Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).
Рис. 1. Устройство синхронного электродвигателя
Типы синхронных двигателей
В целом синхронные двигатели подразделяются на несколько категорий, в зависимости от их конструктивных особенностей.
Так, для получения потока возбуждения используют:
В зависимости от конструкции ротора, выделяют явнополюсный и неявнополюсный синхронный двигатель.
По режиму работы могут использоваться в качестве электродвигателя, генератора или синхронного компенсатора.
Построение вращающейся части (ротора) синхронного мотора
Как и большинство моторов, трехфазный электродвигатель имеет в своем составе опорные детали, такие как:
Вначале на подвижном элементе закрепляют два кольца для протекания тока. Поскольку импульс у нас постоянного электротока, то на одно кольцо пускают минус, а на другое — плюс. Щеточный узел расположен на специальном держателе.
В зависимости от предназначения, роторы синхронных двигателей разделяются на два вида:
Режимы работы
На практике, каждая электрическая машина может применяться в различных режимах работы:
Области использования
Следует отметить, что синхронные электродвигатели обходятся намного дороже асинхронных. Кроме того, они нуждаются в дополнительном источнике постоянного электротока побуждения. Это уменьшает область использования таких типов двигателей.
Но именно синхронные двигатели нужны для функционирования аппаратов, в которых присутствуют частые перенапряжения и необходимо поддержание постоянных вращений.
В основном их можно встретить в сферах с большими мощностями (измерение идет в сотнях киловатт, мегаватт). При этом, запуск и прерывание работы случаются довольно редко, то есть механизмы работают продолжительное время, 24/7.
Это можно объяснить тем, что электродвигатели постоянного тока работают с коэффициентом мощности, значение которого стремится к 1.
Они способны отдавать реактивную мощность в сеть, и на выходе получать более рациональное потребление электричества, что очень актуально для современных производств.
Словарь специальных терминов
Явнополюсная синхронная электрическая машина
Явнополюсная синхронная электрическая машина – гидрогенератор, ротор которого имеет явнополюсную конструкцию.
Схема синхронной машины показана на рисунке. Синхронная машина отличается от асинхронной тем, что ток в обмотке ротора появляется не при вращении ее в магнитном поле статора, а подводится к ней от постороннего источника постоянного тока. Статор синхронной машины выполнен так же, как и асинхронной, и на нем обычно расположена трехфазная обмотка. Обмотка ротора образует магнитную систему с тем же числом полюсов 2р, что и у статора. Она создает магнитный поток возбуждения и называется обмоткой возбуждения. Вращающаяся обмотка ротора соединяется с внешней цепью источника постоянного тока с помощью контактных колец и щеток. При вращении ротора с частотой n2 его магнитное поле возбуждения наводит в статоре ЭДС E1, частота которой
При подсоединении обмотки статора к нагрузке протекающий по ней ток будет создавать магнитный поток, частота вращения которого
Из сравнения этих выражений видно, что п1 =n2 т. е. магнитные поля статора и ротора вращаются с одинаковой частотой, поэтому такие машины называются синхронными.
Рис. 1. Схема синхронной машины:
В — обмотка возбуждения, Uв — напряжение в цепи возбуждения
Результирующий магнитный поток создается совместным действием обмоток возбуждения и статора и вращается с той же частотой, что и ротор.
Обмотка якоря в синхронной машине — обмотка, в которой индуцируется ЭДС и к которой присоединяется нагрузка.
Индуктор в синхронной машине — часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения.
В схеме на рисунке статор является якорем, а ротор — индуктором, но может быть и обращенная схема, в которой статор — индуктор и ротор — якорь.
Синхронная машина может работать генератором или двигателем.
В машине с неподвижным якорем применяются две разновидности ротора: явнополюсный ротор имеет явно выраженные полюсы, неявнополюсный ротор не имеет явно выраженных полюсов.
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.
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.
Время работы музея: со вторника по воскресенье с 09.00 до 18.00
152615, Российская Федерация, Ярославская обл., г. Углич, ул. Спасская д.33 (показать на карте)
Тел.: +7 48532 2 40 66
© Учебно-производственный информационный центр Гидроэнергетики