Генераторы переменного тока строятся на значительные мощности и высокие напряжения. Как и асинхронные машины, они имеют две обмотки. Обычно обмотка якоря располагается в теле статора. Индукторы, создающие первичный магнитный поток, монтируются на роторе и питаются от возбудителя – небольшого генератора постоянного тока, смонтированного на валу ротора. В мощных машинах возбуждение иногда создается выпрямленным переменным напряжением.
Благодаря неподвижности обмотки якоря отпадают технические затруднения, связанные с использованием скользящих контактов при больших мощностях.
Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции: при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочерёдно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространённом случае применения трёхфазной обмотки якоря в каждой из фаз, смещённых друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трёхфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.
Как и у любого генератора, работающего по закону электромагнитной индукции, индуцированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и частоте вращения ротора.
Частота индуцируемой ЭДС f (Гц) связана с частотой вращения ротора n (об/мин) соотношением:
,
где p – число пар полюсов.
Так как частота ЭДС в сети должна быть неизменна, то скорость вращения роторов должна быть постоянна. Для получения ЭДС технической частоты (50 Гц) можно использовать сравнительно медленное вращение, если число полюсов ротора достаточно велико.
Если генератор приводится во вращение током воды (гидрогенератор), то обычно он делается тихоходным. Для получения нужной частоты тока приходится увеличивать число полюсов, что в свою очередь требует увеличения диаметра ротора.
По ряду технических соображений мощные гидрогенераторы имеют обычно вертикальный вал и располагаются над гидротурбиной, приводящей их во вращение (см. рис.).
Генераторы, движимые паровыми турбинами – турбогенераторы, обычно быстроходны. Для уменьшения механических усилий они имеют малые диаметры и соответственно небольшое число полюсов. Ряд технических соображений заставляет делать турбогенераторы с горизонтальным валом (см. рис.).
Если генератор приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания, то его называют дизель-генератором, так как в качестве двигателей обычно применяют дизели, потребляющие более дешевое топливо.
Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трёхфазным выпрямителям – на тепловозах, автомобилях, летательных аппаратах. Это сделано из-за намного больших надёжности и межремонтного ресурса синхронных машин.
Синхронные двигатели
Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щётка-кольцо), в маломощных, к примеру, в двигателях жёстких дисков – постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор – на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники).
Под действием вращающегося магнитного поля, возбуждаемого статором, ротор начинает вращается с той же скоростью. Скорость вращения поля не зависит от момента сопротивления. Если сопротивление больше максимального, ротор останавливается.
Следует отметить, однако, что непрерывное движение возможно лишь при строго определенной скорости вращения, так как при отклонении от нее на каждый из полюсов ротора, перемещающийся между двумя проводниками статора, часть времени будет действовать ускоряющий вращающий момент, часть же времени – тормозящий.
Таким образом, скорость вращения двигателя должна быть строго определенной, – время, в течение которого полюс заменяется следующим, должно совпадать с полупериодом тока, поэтому подобные двигатели и называются синхронными.
Для пуска двигателя необходимо раскрутить его вал до скорости, близкой к синхронной – это явление называется «вход в синхронизм ».
Для синхронных двигателей обычно применяется асинхронный пуск в ход, состоящий в том, что в начале пуска двигатель разгоняется как асинхронный. Для этого ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой, подобной «беличьей клетке» асинхронного двигателя.
В процессе пуска перед включением статора двигателя в трехфазную сеть обмотка возбуждения, т. е. обмотка ротора, замыкается на сопротивление; постоянный ток в эту обмотку пока не подается. Затем включается обмотка статора и возникает вращающееся магнитное поле. Оно индуктирует токи в пусковой клетке ротора, в результате чего возникает вращающий момент и двигатель разгоняется до некоторой установившейся скорости п 0. Все происходит так же, как и при пуске асинхронного двигателя; поэтому скорость п 0 оказывается близкой к синхронной скорости п, т. е. к скорости вращения поля, но меньшей, чем п на несколько процентов. Затем обмотка возбуждения отключается от сопротивления и подключается к источнику постоянного тока.
В результате возникает обычный для синхронной машины момент взаимодействия вращающегося поля статора и полюсов ротора и машина втягивается в синхронизм, т. е. ротор начинает вращаться синхронно с полем.
В двигателях с постоянными магнитами применяется обычно внешний разгонный двигатель.
Частота вращения ротора n (об/мин) остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети f (Гц) соотношением:
,
где p – число пар полюсов статора. Но между осями полюсов статора и ротора есть некоторое угловое смещение. Это смещение зависит от момента сопротивления.
Своеобразие синхронных машин определяет их преимущества и недостатки в сравнении с машинами других классов. Преимущества синхронных машин следующие:
- высокие КПД и коэффициент мощности;
- постоянство частоты вращения;
- независимость частоты ЭДС генератора от нагрузки машины.
Однако синхронные машины имеют и недостатки, которые в ряде случаев ограничивают их использование:
- сложная конструкция;
- необходимость использования двух источников напряжения (переменного трехфазного и постоянного) для двигателя;
- затруднения с пуском двигателя.
Сопоставление достоинств и недостатков синхронных двигателей показывает, что их целесообразно применять для установок большой мощности, начиная примерно с 50–100 кВт, в особенности для установок, работающих в условиях редких пусков. Примерами таких установок могут быть мощные компрессоры и электромашинные преобразователи переменного тока в постоянный.
Вопросы для самоконтроля:
1. В чем заключается различие асинхронных и синхронных электрических машин синусоидального тока?
2. В чем заключается принцип работы синхронного генератора?
3. Каково устройство генератора с явно и неявно выраженными полюсами?
4. От чего зависит ЭДС синхронного генератора?
5. Как устроен и работает синхронный двигатель?
6. Какое явление называется «входом в синхронизм»?
7. Каковы преимущества и недостатки синхронных двигателей?
8. Назовите основную область применения синхронных машин.