Синхронни машини — двигатели, генератори и компенсатори

Синхронни машини — това са електрически машини с променлив ток, в които роторът и магнитното поле на токовете на статора се въртят синхронно.
Трифазните синхронни генератори са най-мощните електрически машини. Единичната мощност на синхронните генератори при ВЕЦ е 640 MW, а при ТЕЦ — 8 — 1200 MW. В синхронна машина една от намотките е свързана към електрическа мрежа с променлив ток, а другата се възбужда от постоянен ток. Намотката за променлив ток се нарича намотка на котвата.
Арматурната намотка преобразува цялата електромагнитна мощност на синхронната машина в електрическа и обратно. Затова обикновено се поставя на статор, който се нарича котва. Намотката за възбуждане консумира 0,3 — 2% от преобразуваната мощност, поради което обикновено се намира на въртящ се ротор, който се нарича индуктор, а ниската мощност на възбуждане се подава чрез плъзгащи пръстени или безконтактни устройства за възбуждане.

Магнитното поле на котвата се върти със синхронна скорост n1 = 60f1 / p, rpm, където p = 1,2,3 … 64 и т.н. е броят полюсни двойки.
С честота на индустриална мрежа f1 = 50 Hz, редица синхронни скорости при различен брой полюси: 3000, 1500, 1000 и т.н.). Тъй като магнитното поле на индуктора е неподвижно спрямо ротора, то за непрекъснатото взаимодействие на полетата на индуктора и котвата роторът трябва да се върти със същата синхронна скорост.

Изграждане на синхронни машини
Статорът на синхронна машина с трифазна намотка не се различава от конструкцията асинхронен машинен статор, а роторът с възбуждаща намотка е два вида — изпъкнал полюс и неявен полюс. При високи скорости и малък брой полюси се използват неявнополюсни ротори, тъй като те имат по-трайна структура, а при ниски скорости и голям брой полюси се използват ротори с изпъкнали полюси с модулна конструкция. Силата на такива ротори е по -малка, но те са по -лесни за производство и ремонт. Явно полюсен ротор:

Те се използват в синхронни машини с голям брой полюси и съответно относително ниско n. Водноелектрически централи (хидрогенератори). честота n от 60 до няколкостотин оборота в минута. Най -мощните хидрогенератори имат диаметър на ротора 12 m с дължина 2,5 m, p — 42 и n = 143 rpm.
Косвен ротор:

Намотка — диаметър d = 1,2 — 1,3 м в каналите на ротора, активната дължина на ротора е не повече от 6,5 м. ТЕЦ, АЕЦ (турбинни генератори). S = 500 000 kVA в една машина n = 3000 или 1500 об / мин (1 или 2 двойки полюси).
В допълнение към намотката за възбуждане, на ротора се намира амортисьор или демпферна намотка, която се използва за стартиране в синхронни двигатели. Тази намотка е направена подобно на намотка с късо съединение от типа „клетка на катерица“, само на много по-малка секция, тъй като основният обем на ротора е зает от намотката за възбуждане. При неявнополюсни ротори ролята на намотката на амортисьора се играе от повърхностите на плътните зъби на ротора и проводимите клинове в каналите.
Постоянен ток във възбуждащата намотка на синхронна машина може да се подава от специален DC генератор, инсталиран на вала на машината и наречен възбудител, или от мрежата чрез полупроводников токоизправител.
Вижте също по тази тема:
Предназначение и подреждане на синхронни машини

Как работят синхронните турбо и хидрогенератори

Синхронната машина може да работи като генератор или двигател. Синхронната машина може да работи като двигател, ако трифазен ток от мрежата се подава към намотката на статора. В този случай, в резултат на взаимодействието на статорните и роторните магнитни полета, статорното поле носи ротора със себе си. В този случай роторът се върти в същата посока и със същата скорост като полето на статора.

Най -разпространен е генераторният режим на работа на синхронни машини и почти цялата електрическа енергия се генерира от синхронни генератори.Синхронните двигатели се използват с мощност над 600 kW и до 1 kW като микромотори. Синхронни генератори за напрежения до 1000 V се използват в блокове за автономни системи за захранване.

Агрегатите с тези генератори могат да бъдат стационарни и мобилни. Повечето агрегати се използват с дизелови двигатели, но те могат да се задвижват от газови турбини, електродвигатели и бензинови двигатели.

Синхронният двигател се различава от синхронния генератор само с начална демпферна намотка, която трябва да осигури добри стартови свойства на двигателя.

Схема на шест-полюсен синхронен генератор. Показани са напречните сечения на намотките на една фаза (три последователно свързани намотки). Намотките на другите две фази се вписват в свободните слотове, показани на фигурата. Фазите са свързани в звезда или триъгълник.

Режим на генератор: двигателят (турбината) върти ротора, чиято намотка се захранва с постоянно напрежение? има ток, който създава постоянно магнитно поле. Магнитното поле се върти с ротора, пресича намотките на статора и индуцира ЕМП със същия модул и честота, но изместено с 1200 (симетрична трифазна система).

Режим на двигателя: намотката на статора е свързана към трифазна мрежа, а намотката на ротора-към източник на постоянен ток. В резултат на взаимодействието на въртящото се магнитно поле на машината с постоянен ток на намотката за възбуждане възниква въртящ момент Mvr, който задвижва ротора на въртене със скоростта на магнитното поле.

Механична характеристика на синхронен двигател — зависимост n (M) — е хоризонтален отсечен участък.

Образователна филмова лента — „Синхронни двигатели“, създадена от фабриката за учебни пособия през 1966г.
Можете да го гледате тук: Филмова лента «Синхронен двигател»

Приложение на синхронни двигатели Масовото използване на асинхронни двигатели със значително недотоварване усложнява работата на енергийните системи и станции: коефициентът на мощност в системата намалява, което води до допълнителни загуби във всички устройства и линии, както и до тяхното недостатъчно използване по отношение на активната мощност. Поради това се наложи използването на синхронни двигатели, особено за механизми с мощни задвижвания.

Синхронните двигатели имат голямо предимство пред асинхронните двигатели, което е, че благодарение на DC възбуждането те могат да работят с cosphi = 1 и не консумират реактивна мощност от мрежата, а по време на работа, при свръхвъзбуждане, те дори дават реактивна мощност на мрежа. В резултат на това се подобрява коефициентът на мощност на мрежата и намаляват падането на напрежението и загубите в нея, както и коефициентът на мощност на генераторите, работещи в електроцентрали.

Максималният въртящ момент на синхронен двигател е пропорционален на U, а за асинхронен двигател U2.

Следователно, когато напрежението спадне, синхронният двигател запазва по -висока товароносимост. В допълнение, използването на възможността за увеличаване на тока на възбуждане на синхронните двигатели дава възможност да се повиши тяхната надеждност в случай на аварийни спадове на напрежението в мрежата и да се подобрят в тези случаи условията на работа на електроенергийната система като цяло. Поради по -големия размер на въздушната междина допълнителните загуби в стоманата и в роторната клетка на синхронните двигатели са по -малки от тези на асинхронните двигатели, поради което ефективността на синхронните двигатели обикновено е по -висока.

От друга страна, конструкцията на синхронни двигатели е по-сложна от асинхронните двигатели с катерична клетка, и освен това синхронните двигатели трябва да имат възбудител или друго устройство за захранване на намотка с постоянен ток. В резултат на това синхронните двигатели в повечето случаи са по -скъпи от асинхронните двигатели с катеричка.

По време на работата на синхронни двигатели възникнаха значителни трудности при стартирането им. Тези трудности вече са преодолени.

Стартирането и контролът на скоростта на синхронните двигатели също са по -трудни. Въпреки това, предимството на синхронните двигатели е толкова голямо, че при високи мощности е препоръчително да се използват навсякъде, където не се изискват чести пускания и спирки и контрол на скоростта (генератори на двигатели, мощни помпи, вентилатори, компресори, мелници, трошачки и др.). ).

Вижте също:

Типични схеми за стартиране на синхронни двигатели

Електромеханични свойства на синхронни двигатели

Синхронни компенсатори

Синхронните компенсатори са предназначени да компенсират фактора на мощността на мрежата и да поддържат нормалното ниво на напрежение на мрежата в райони, където са концентрирани потребителските товари. Превъзбуденият режим на работа на синхронния компенсатор е нормален, когато доставя реактивна мощност към мрежата.

В тази връзка компенсаторите, както и кондензаторните банки, които служат за същите цели, инсталирани на потребителски подстанции, също се наричат ​​генератори на реактивна мощност. Въпреки това, в периоди на намаляване на потребителските натоварвания (например през нощта), често е необходимо да се използват синхронни компенсатори и в режим на недовъзбуждане, когато те консумират индуктивен ток и реактивна мощност от мрежата, тъй като в тези случаи мрежовото напрежение има тенденция да се увеличава и за поддържането му на нормално ниво е необходимо мрежата да се натоварва с индуктивни токове, които причиняват допълнителни падания на напрежението в нея.

За тази цел всеки синхронен компенсатор е оборудван с автоматичен регулатор на възбуждане или напрежение, който регулира величината на тока на възбуждане, така че напрежението в клемите на компенсатора да остане постоянно.