Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения
Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения
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 вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».
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.
Синхронная скорость
Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:
,
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.
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 асинхронные двигатели.
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.
Системы возбуждения синхронных машин
В синхронных машинах применяются несколько систем возбуждения.
Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 1). В этой системе в качестве источника используется специальный генератор постоянного тока (ГПТ), называемый возбудителем.
Системы возбуждения делятся на два типа – прямые и косвенные. В прямых системах возбуждения якорь возбудителя соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Вспомогательный генератор может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения сразу не обесточивается.
Рис. 1. Электромашинная система возбуждения: LG — обмотка возбуждения синхронного генератора; LE — обмотка возбуждения возбудителя GE; RШ1 — регулировочное сопротивление
Классическая система возбуждения синхронных машин состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с синхронной машиной (электромашинный возбудитель). У тихоходных машин мощностью до 5000 кВт для уменьшения массы и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи. Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором.
Для гашения магнитного поля применяется автомат гашения поля (АГП), который состоит из контакторов K1, K2 и гасительного (разрядного) резистора RP. Гашение поля проводится в следующем порядке. При включенном контакторе K1 включается контактор K2, замыкающий обмотку возбуждения на резистор 
, где RB—сопротивление обмотки возбуждения. Затем происходит размыкание контактора К1, и ток в цепи обмотки возбуждения генератора начинает уменьшаться (затухать) с постоянной времени 
(LB — индуктивность обмотки возбуждения) в соответствии с уравнением 
(рис. 2).
Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля выключением только одного контактора К1 без включения гасительного резистора RP. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой индуктивности обмотки возбуждения в ней индуцировалась бы большая ЭДС самоиндукции 
, превышающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К1 при разрыве выделялась бы большая энергия, запасенная в магнитном поле обмотки возбуждения, и из-за большой дуги произошло бы разрушение контактов. Для крупных машин затухание тока возбуждения при наличии гасительного резистора происходит с постоянной времени около 1 с.
Форсировка возбуждения осуществляется шунтированием резистора RШ1, включенного в цепь возбуждения возбудителя.
Рис. 2. Затухание тока возбуждения при гашении поля
Однако у мощных тихоходных генераторов с nр=60-150 об/мин размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихоходностью получаются большими. Кроме того, тихоходные возбудители вследствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуждения. Поэтому применяют также системы возбуждения в виде отдельного быстроходного агрегата (nр=750-1500 об/мин), состоящего из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, расположенного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях — с шин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора. В последнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энергосистеме (короткие замыкания и пр.), и поэтому для повышения его надежности приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным моментом (Мmax ≥4 Мн), а иногда эти агрегаты снабжают также маховиками. В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются также агрегаты резервного возбуждения электростанций, служащие для резервирования собственных возбудителей генераторов в случае аварий и неисправностей.
Мощность возбудителя обычно равна 0,3—3 % мощности синхронного генератора. Он приводится во вращение от вала синхронного генератора. Ток возбуждения крупной синхронной машины IB относительно велик и составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулируют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляется по схеме самовозбуждения (рис. 1) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока, называемого подвозбудителем (рис. 3). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора RШ2 в процессе работы генератора не изменяется.
Рис. 3. Электромашинная система возбуждения с подвозбудителем: LG — обмотка возбуждения синхронного генератора; LE — обмотка возбуждения Возбудителя GE; LA — обмотка возбуждения подвозбудителя GEA 
Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 4). В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т. е. автоматическое изменение намагничивающей силы возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного генератора. Так как в обмотке якоря синхронной машины протекает переменный ток, а в обмотке возбуждения 2— постоянный ток, то в схемах компаундирования синхронных машин применяются полупроводниковые выпрямители.
В приведенной на рис. 4 принципиальной схеме компаундированной системы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подключена к якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7. На холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3. По мере увеличения тока нагрузки генератора 1 напряжение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уже при небольшой нагрузке это напряжение, выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки обмотка 4 будет подпитываться от трансформатора 7 и, поэтому ток этой обмотке и ток возбуждения генератора будут расти с увеличением нагрузки.
При увеличении сопротивления установочного реостата 8 напряжение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти. При коротких замыканиях компаундирующее устройство осуществляет форсировку возбуждения.
Рис. 4. Система возбуждения с токовым компаундированием
Компаундирующее действие схемы рис. 4 зависит только от значения тока нагрузки и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке. Такое компаундирование называется токовым, и при этом постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных нагрузок удается сохранять с точностью до ± (5—10)%. Такая точность для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах рис. 4 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения //, который соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор 11 реагирует на изменения напряжения U и тока / и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5.
Вентильные системы возбуждения могут быть построены на большие мощности и являются более надежными, чем электромашинные. Различают три разновидности вентильных систем возбуждения: с самовозбуждением, независимую и бесщеточную.
В системе с самовозбуждением (рис. 6) энергия для возбуждения синхронной машины отбирается от обмотки якоря основного генератора, а затем преобразуется статическим преобразователем ПУ (тиристорный преобразователь) в энергию постоянного тока, которая поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного намагничивания его полюсов.
Рис. 6. Вентильная система возбуждения синхронного генератора с самовозбуждением: LG — обмотка возбуждения генератора; ПУ — преобразовательное устройство с регулятором напряжения; TV — трансформатор напряжения, снижающий подводимое к обмотке возбуждения напряжение; ТА — трансформатор тока, служащий для поддержания напряжения возбуждения при изменении нагрузки генератора
В независимой системе вентильного возбуждения (рис. 7) энергия для возбуждения получается от специального возбудителя GN, выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его расположен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрямляется и подается в обмотку возбуждения.
Разновидностью независимой системы вентильного возбуждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины размещается якорь возбудителя переменного тока с трехфазной обмоткой.
Рис. 7. Вентильная независимая система возбуждения: GN — возбудитель переменного тока (синхронный); LN — обмотка возбуждения возбудителя; GEA — подвозбудитель;
LA — обмотка возбуждения подвозбудителя; ПУ — преобразовательное устройство с регулятором напряжения
Переменное напряжение этой обмотки через выпрямительный мост, закрепленный на валу машины, преобразуется в постоянное и непосредственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от подвозбудителя или регулятора напряжения.
Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов. Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.
Преимуществами машин с постоянными магнитами являются простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке: возбуждения и скользящем контакте. Большим достоинством этих машин является также отсутствие источника постоянного тока для их возбуждения.
К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулирования магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.
Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асинхронного двигателя — беличью клетку, необходимую для пуска.
4. Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов
Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.
Преимуществами машин с постоянными магнитами являются простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке: возбуждения и скользящем контакте. Большим достоинством этих машин является также отсутствие источника постоянного тока для их возбуждения.
К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулирования магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.
Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асинхронного двигателя — беличью клетку, необходимую для пуска.
Постоянные магниты могут иметь радиальное и аксиальное расположение на роторе. В первом случае магнит 1 имеет форму звездочки (рис. 7), на нее напрессовывается стальной кольцевой пакет 2, в пазах которого располагаются стержни беличьей клетки.
Рис. 7. Синхронный двигатель с радиальным расположением постоянных магнитов на роторе: 1 — постоянные магниты; 2 — пакет ротора; 3 — статор
В стали кольцевого пакета для уменьшения потоков рассеяния магнитов выполняются межполюсные прорези. Во втором случае на валу располагается ротор 2 по типу ротора асинхронного двигателя, и с одного или обеих сторон от этого пакета размещаются постоянные магниты 1 (рис. 8), Асинхронный пуск двигателя с постоянными магнитами имеет ту особенность, что кроме двигательного (асинхронного) момента в этом случае возникает еще тормозной (генераторный) момент. Тормозной момент появляется в результате взаимодействия магнитного поля возбужденных полюсов ротора с наведенными им токами в обмотке статора 3. На рис. 9 показаны кривые асинхронного Ма, тормозного МT и результирующего М моментов двигателя при асинхронном пуске.
Рис. 8. Синхронный двигатель с аксиальным расположением постоянных магнитов на роторе: I — постоянный магнит; 2 — пакет ротора; 3 — статор
Рис. 9. Пусковые характеристики двигателя с постоянными магнитами
Пусковые характеристики у двигателей с постоянными магнитами хуже, чем у гистерезисных двигателей, но они имеют лучшие энергетические показатели, повышенную перегрузочную способность, стабильность частоты вращения.
Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы
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.
.jpg)
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.