СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
§ 97. Общие сведения
В синхронных машинах число оборотов ротора равно числу оборотов вращающегося магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока сети f и числом пар полюсов р, т. е.
Как и всякая электрическая машина, синхронная машина обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем.
Синхронные генераторы широко применяются в промышленности. Электрическая энергия вырабатывается синхронными генераторами, первичными двигателями которых являются либо гидравлические, либо паровые турбины, либо двигатели внутреннего сгорания.
Синхронные двигатели используют в установках средней и большой мощности. Основным достоинством синхронных двигателей является их высокий коэффициент мощности cos φ. У этих двигателей cos φ может быть равным единице и, более того, они могут работать с потреблением опережающего тока из сети, подобно емкости. Это свойство синхронных двигателей широко используется на практике.
Синхронный двигатель, потребляющий опережающий ток из сети, компенсирует реактивную мощность других индуктивных приемников энергии, включенных в эту сеть, и повышает коэффициент мощности всего предприятия. Магнитное поле в машине создается постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения. Потребность в источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения является очень существенным недостатком синхронных машин.
Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, который представляет собой генератор постоянного тока. Возбудитель находится на одном валу с рабочей машиной и мощность его составляет малую величину, порядка 1 — 5% мощности синхронной машины, возбуждаемой им. При небольшой мощности широко используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин из сети переменного тока через полупроводниковые и механические выпрямители. При вращении ротора магнитные линии потока остаточного магнетизма пересекают проводники статора и индуктируют в них переменную э. д. с. Вызванный этой э. д. с. переменный ток посредством трансформатора и полупроводниковых вентилей преобразуется в постоянный и протекает через обмотку возбуждения. Вследствие этого происходит усиление магнитного поля генератора и его возбуждение до номинального напряжения.
В синхронных двигателях питание обмотки возбуждения часто осуществляется через полупроводниковые вентили.
Принцип действия синхронного генератора
В генераторах обмотка состоит из большого числа проводов, которые, соединяясь между собой, образуют витки и катушки. Простейшим генератором может быть виток из провода 1 и 2, вращающийся в магнитном поле (рис. 126). Магнитное поле возбуждается током обмотки возбуждения, помещенной на полюсах статора N — S.
Концы витка соединены с кольцами, вращающимися вместе с витком. Если на кольцах поместить неподвижные щетки 3 и соединить их с приемником электрической энергии R, то по замкнутой цепи, состоящей из витка, колец, щеток и приемника энергии, потечет электрический ток под действием э. д. с., созданной в витке.
Если в начальный момент при вращении витка проводник 1 перемещался в магнитном поле слева направо, а проводник 2 — справа налево, то при повороте на угол, больший 90°, перемещение проводников будет обратным, а следовательно, изменится и направление э. д. с., индуктируемой в витке.
Если магнитное поле между полюсами N и S распределяется равномерно, то э. д. с. будет меняться во времени синусоидально (рис. 127). За один оборот витка в пространстве э. д. с., индуктируемая в нем, претерпевает один период изменения.
Если виток вращается при помощи какого-либо первичного двигателя с постоянным числом оборотов n в минуту, то в этом витке индуктируется переменная э. д. с. с частотой, равной:
