Аєв Електротехніка
Воропаєв Є.Г. Електротехніка
Якщо розглянутих вище асинхронних машинах ротор мав частоту обертання, відмінну від частоти обертання магнітного поля статора, то синхронних ці частоти рівні між собою. Синхронні машини можуть працювати як генераторами, і двигунами. Залежно від типу приводу синхронні генератори отримали свої назви.Турбогенератор, наприклад, - це генератор, що приводиться в рух паровою турбіною, гідрогенератор обертає водяне колесо, а дизель - генератор механічно пов'язаний з двигуном внутрішнього згоряння. Синхронні двигуни широко застосовують для приводу потужних компресорів, насосів, вентиляторів. Синхронні мікродвигуни використовують для приводу стрічкопротяжних механізмів реєструючих приладів, магнітофонів і т.д.
6.1. КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Статор синхронної машини за конструкцією не відрізняється від статора асинхронного двигуна. У пазах статора розміщується трифазна, двофазна або однофазна обмотка. Помітна відмінність має ротор, який принципово є постійним магнітом або електромагнітом. Це накладає особливі вимоги на геометричну форму ротора. Будь-який магніт має полюси, число яких може бути два і більше. На рис. 6.1.1 наведено дві конструкції генераторів, з тихохідним та швидкохідним ротором.
Швидкохідними бувають, як правило, турбогенератори. Кількість пар магнітних полюсів у них дорівнює одиниці. Щоб такий генератор виробляв електричний струм стандартної частоти f = 50 Гц, необхідно обертати його з частотою
На гідроелектростанціях обертання ротора залежить руху водяного потоку. Але і при повільному обертанні такий генератор повинен виробляти електричний струм стандартним.частоти f=50 Гц. Тому кожної гідроелектростанції конструюється свій генератор, на кілька магнітних полюсів на роторі. Як приклад наведемо параметри синхронного генератора, що працює на Дніпровській ГЕС. Водяний потік обертає ротор генератора із частотою n = 33,3 об/хв. Задавшись частотою f = 50 Гц, визначимо кількість пар полюсів на роторі:
Принцип дії синхронного генератора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Ротор з магнітними полюсами створює магнітне поле, що обертається, яке, перетинаючи обмотку статора, наводить в ній ЕРС. При підключенні до генератора навантаження генератор буде джерелом змінного струму.
6.2. ЕДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Як було показано вище, величина статора ЕРС, що наводиться в обмотці, кількісно пов'язана з числом витків обмотки і швидкості зміни магнітного потоку:
Переходячи до діючих значень, вираз ЕРС можна записати у вигляді:
де n - частота обертання ротора генератора, Ф - магнітний потік, c - постійний коефіцієнт. При підключенні навантаження напруга на затискачах генератора різною мірою змінюється. Так, збільшення активного навантаження не має помітного впливу на напругу. У той же час індуктивне і ємнісне навантаження впливають на вихідну напругу генератора. У першому випадку зростання навантаження розмагнічує генератор і знижує напругу, у другому відбувається його підмагнічування та підвищення напруги. Таке явище називається реакцією якоря. Для забезпечення стабільності вихідної напруги генератора необхідно регулювати магнітний потік. При його ослабленні машину требапідмагнітити, при збільшенні -розмагнітити. Робиться це шляхом регулювання струму, що подається в обмотку збудження ротора генератора.
6.3. СИНХРОННИЙ ДВИГУН
6.3.1. КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ
Конструкція синхронного двигуна така сама, як і в синхронного генератора. При подачі струму в трифазну обмотку статора в ньому виникає магнітне поле, що обертається. Частота його обертання визначається формулою:
де f - частота струму мережі живлення, р - число пар полюсів на статорі. Ротор, що є часто електромагнітом, суворо слідуватиме за обертовим магнітним полем, тобто. його частота обертання n2 = n1. Розглянемо принцип дії синхронного двигуна на наступній умовній моделі (рис. 6.3.1). Нехай магнітне поле статора буде змодельовано системою магнітних полюсів, що обертаються N - S.
Ротор двигуна теж являє собою систему електромагнітів S - N, які "зчеплені" з полюсами на статорі. Якщо навантаження на двигуні відсутнє, осі полюсів статора збігатимуться з осями полюсів ротора ( = 0). Якщо до ротора підключено механічне навантаження, то осі полюсів статора і ротора можуть розходитися на певний кут. Однак "магнітне зчеплення" ротора зі статором буде продовжуватися, і частота обертання ротора дорівнюватиме синхронної частоти статора (n2 = n1). При більших значеннях ротор може вийти зі зчеплення і двигун зупиниться. Головна перевага синхронного двигуна перед асинхронним - це забезпечення синхронної швидкості обертання ротора при значних коливаннях навантаження.
6.3.2. СИСТЕМА ПУСКУ СИНХРОННОГО ДВИГУНА
Як ми показали вище, синхронне обертання ротора забезпечується "магнітним зчепленням" полюсів ротора з магнітним полем статора, що обертається. У перший момент пуску двигуна обертове магнітне поле статора виникає практично миттєво. Ротор же, володіючи значноюінерційною масою прийти в синхронне обертання відразу не зможе. Його треба "розігнати" до підсинхронної швидкості якимось додатковим пристроєм. Довгий час роль розгінного двигуна грав звичайний асинхронний двигун, механічно з'єднаний із синхронним. Ротор синхронного двигуна приводиться у обертання до підсинхронної швидкості. Далі двигун сам втягується у синхронізм. Зазвичай потужність пускового двигуна становить 5-15% від потужності синхронного двигуна. Це дозволяє пускати в хід синхронний двигун тільки вхолосту або за малого навантаження на валу. Застосування пускового двигуна потужністю, достатньою для пуску синхронного двигуна під навантаженням, робить таку установку громіздкою і дорогою. В останнім часом використовується так званасистема асинхронного пускусинхронних двигунів. З цією метою полюсні наконечники забивають стрижні, що нагадують собою короткозамкнену обмотку асинхронного двигуна (рис. 6.3.2.1).
У початковий період пуску синхронний двигун працює як асинхронний, а надалі - як синхронний. З метою безпеки обмотку збудження в початковому періоді пуску закорочують, а на заключному підключають до джерела постійного струму.
6.4. РЕАКТИВНИЙ СИНХРОННИЙ ДВИГУН
У лабораторній практиці, у побуті та в малопотужних механізмах застосовують так званіреактивні синхронні двигуни. Від звичайних класичних машин вони відрізняються лише конструкцією ротора. Ротор тут не є магнітом або електромагнітом, хоча формою нагадує собою полюсну систему. Принцип дії реактивного синхронного двигуна відмінний від розглянутого вище. Тут робота двигуна заснована на вільній орієнтації ротора таким чином, щоб забезпечити магнітному потокустатора найкращу магнітну провідність (рис. 6.4.1).
Дійсно, якщо в якийсь момент часу максимальний магнітний потік буде у фазі А – X, то ротор займе положення вздовж потоку ФА. Через 1/3 періоду максимальним буде потік у фазі - У. Тоді ротор розгорнеться вздовж потоку ФВ. Ще через 1/3 періоду відбудеться орієнтація ротора вздовж потоку. ФС. Так безперервно і синхронно ротор обертатиметься з магнітним полем статора, що обертається. У шкільній практиці іноді, за відсутності спеціальних синхронних двигунів, виникає у синхронної передачі. Цю проблему можна вирішити за допомогою звичайного асинхронного двигуна, якщо надати ротору наступної геометричної форми (рис. 6.4.2).
6.5. КРОКОВИЙ ДВИГУН
Цей тип двигуна є машиною постійного струму, хоча принцип його дії нагадує синхронний реактивний двигун. Як видно з рис. 6.5.1 статор двигуна має шість пар виступаючих полюсів.
Кожні дві котушки, розташовані на протилежних полюсах статора, утворюють обмотку управління, що включається, в мережу постійного струму. Ротор – двополюсний. Якщо підключити до джерела постійного струму котушки полюсів 1 - 1 ', то ротор розташується вздовж цих полюсів. Якщо задіяти котушки полюсів 2 - 2 ', а котушки полюсів 1 - 1' знеструмити, то ротор повернеться і займе положення уздовж полюсів 2 - 2'. Такий поворот ротора відбудеться, якщо включити в мережу котушки полюсів 3 - 3'. Так, кроками, ротор "слідуватиме" за своєю обмоткою управління. Перевагою крокових двигунів є те, що в них немає "самохід". Вони повертаються і суворо фіксуються з кроком, пропорційним числу полюсів на статорі. Ця якість робить його незамінною вособливо точних механізмах (для приводу годинників, механізмів подачі ядерного палива в реакторах, верстатах з ЧПУ тощо). Управління кроковими двигунами ведеться із застосуванням різних електронних пристроїв (тригерів Шмідта та ін.).
6.6. КОЛЕКТОРНИЙ ДВИГУН ЗМІННОГО СТРУМУ
Безколекторні асинхронні та синхронні двигуни за багатьох позитивних якостей мають суттєві недоліки. Вони не допускають достатньо плавного та економічного регулювання обертання. Цю прогалину частково заповнюють колекторні двигуни змінного струму. Коллекторні двигуни бувають однофазними та трифазними. Ротор однофазного колекторного двигуна виконаний у вигляді циліндра з фазними обмотками, статор - явнополюсний. Оскільки обмотка полюсів статора, що підключається до мережі змінного струму, створює пульсуюче магнітне поле, всі елементи магнітного ланцюга машини набираються з окремих листів електротехнічної сталі. Обертальний момент в однофазному колекторному двигуні створюється взаємодією струмів в обмотці ротора з магнітним потоком полюсів. На рис. 6.6.1 показана схема підключення до мережі колекторного двигуна.
Колекторні двигуни можуть працювати від мережі змінного струму, так і від мережі постійного струму. Ця обставина послужила надання їм найменування універсальних колекторних двигунів. Колекторні двигуни широко застосовуються для приводу швейних машин, пилососа і т.д.