какие синхронные генераторы изготавливаются с неявнополюсным ротором
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Практически все синхронные машины имеют одинаковое конструктивное исполнение. Одной из их важнейших характеристик является полюсность. Она определяется конструктивными параметрами устройства.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Чтобы понять, как устроены явнополюсная и неявнополюсная синхронные машины необходимо знать из чего состоит их конструкция. Она включает в себя неподвижный элемент – статор, представлящий собой корпус, внутри которого размещен цилиндрический сердечник с тонкими пластинами, а также пазами, предназначенными для укладки обмотки статора. Сердечник с обмоткой называют якорем. В середине статора расположен ротор и именно он определяет тип машины: явнополюсный или неявнополюсный. На изображении визуально видны их отличия:
Явнополюсной ротор синхронной машины и неявнополюсный
Уже понятно, какая синхронная машина называется явнополюсной и как она выглядит. Теперь необходимо понять, где применяются явнополюсные роторы в синхронных машинах. Они применяются на низких частотах вращения, например, в гидрогенераторах. Как правило, их используют в агрегатах с 4 полюсами и более. Обмотку возбуждения в таком исполнении создают в виде цилиндрических катушек, которые устанавливают на сердечниках полюсов и фиксируют с помощью полюсных наконечников. Машины с таким исполнением ротора широко используются в качестве дизель-генераторов.
Что касается представителей неявнополюсных машин, то самыми популярными являются турбогенераторами, которые, как правило, используются для соединения с паровыми турбинами.
Синхронные машины
Рис.22 Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре явнополюсной СМ
Рис 23. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре неявнополюсной СМ
Рис. 24 Временные векторы диаграммы МДС СГ
Рис. 26 Схема замещения и векторная диаграмма неявнополюсного СГ
при резистивно-индуктивной нагрузке
Рис. 27 Векторная диаграмма СГ при резистивной нагрузке
Если нагрузка генератора имеет емкостной характер, то угол отрицателен и напряжение на зажимах синхронного генератора больше ЭДС ( рисунок 28 ). (9)
Рис. 28 Векторная диаграмма СГ при резистивно-емкостной нагрузке
П3 Энергетическая диаграмма синхронного генератора
Рассмотрим энергетическую диаграмму, показывающую соотношения между различными мощностями в синхронном генераторе в процессе того, как механической энергии приводного двигателя синхронного генератора преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. (рис. 29)
Рис.29 Энергетическая диаграмма СГ
Разные типы синхронных генераторов имеют разные соотношения между потерями мощности. Механические потери и потери в стали будут выше у машин высокооборотных. Потери на возбуждение тем больше, чем выше число полюсов машины.
Вопросы для самоконтроля?
1. За счет чего формируют синусоиду поля индуктора в синхронных генераторах? (1,2)
2. На какой угол отстает МДС синусоиды поля статора от МДС ротора? (3)
3. Какие составляющие имеет результирующая МДС в зазоре СГ?(4)
4. Что называют реакцией якоря СГ? (5)
5. Что называют потоком реакции якоря СГ? (6)
6. Какие функции выполняют элементы эквивалентной схемы СГ? (7)
7. Как ориентируют векторы МДС ротора и реакции якоря на векторных диаграммах СГ? (8)
8. В каких случаях напряжение на зажимах синхронного генератора больше чем ЭДС холостого хода? (9)
Рис. 30Упрощенная эквивалентная схема и векторная диаграмма СГ
Рис.31.Векторная диаграмма и V-образные характеристики СГ
Действительно, как следует из формулы электромагнитной мощности
Рис. 33 Характеристика холостого хода синхронного генератора
Рис. 34 Характеристика симметричного короткого замыкания СГ
Рис. 35 Внешние характеристики СГ
Рис. 36 Регулировочные характеристики СГ
Очевидно, что характер нагрузки определяет вид регулировочных характеристик.
Вопросы для самоконтроля.
1. Что такое нормальная характеристика холостого хода синхронного генератора? (1)
2. Как определяют спрямленную, насыщенную, и спрямленную, ненасыщенную характеристики холостого хода? (2)
3. Почему характеристика симметричного короткого замыкания СГ представляет собой прямую линию? (3)
4. Что такое отношение короткого замыкания? (4)
5. Как индуктивное сопротивление СМ по продольной оси связано с отношением короткого замыкания? (5)
6. Что такое внешние характеристики СГ? (6)
7. Какие характеристики синхронного генератора называются регулировочными? (7)
§4 Характеристики синхронных двигателей
П1 Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного перевозбужденного синхронного двигателя
Расположим вектор магнитодвижущих сил ротора влево вдоль оси абсцисс ( рисунок 37).
Рис.37 Векторная диаграмма перевозбужденного синхронного двигателя
Рис. 38 V-образные характеристики синхронного двигателя
Поэтому, также как генератор, перевозбужденный синхронный двигатель является для сети емкостной нагрузкой. (2) На рисунке 38 представлены V-образные характеристики синхронного двигателя для трех значений электромагнитной мощности. Пунктирной линией отмечена граница устойчивости работы. Линии, проходящей через минимумы кривых, соответствует коэффициент мощности равный единице. Видно, что нагруженный синхронный двигатель может работать только при достаточном возбуждении ротора.
Возможность работы синхронного двигателя с опережающим коэффициентом мощности широко используются в промышленности. Для целей улучшения коэффициента мощности сети изготовляют специальные электрические машины, называемые синхронными компенсаторами. Синхронный компенсатор представляет собой перевозбужденный синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу с большим емкостным током. (3)
П3 Рабочие характеристики синхронных двигателей
Рабочими характеристиками синхронного двигателя называю зависимость основных эксплуатационных параметров режима работы от развиваемой механической мощности. (4)Основными эксплуатационными параметрами, характеризующие режим работы двигателя являются ток статора, потребляемая двигателем мощность, момент на валу, частота вращения ротора, коэффициент мощности и кпд.(5)
Рис.39 Рабочие характеристики СД
Синхронный двигатель: устройство, принцип работы, режимы работы, пуск
Устройство[править | править код]
Синхронный главный генератор тепловоза
: 1 — щётка, 2 — контактное кольцо, 3 — вал ротора, 4 — полюс ротора, 5 — статор
Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.
Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря
. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.
Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока[1] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб
). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.
Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали.
Структуры возбуждения
Любые турбо-, гидро-, дизельные генераторы, синхронные компенсаторы, моторы, производимые на данный момент, оснащаются новейшими полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение синхронных генераторов.
В данных структурах применяется метод выпрямления трехфазных переменных токов возбудителей высокой или промышленной частоты либо напряжения возбуждаемого агрегата.
Устройство генератора таково, что структуры возбуждения могут обеспечить такие параметры работы агрегата, как:
Отличие от асинхронного двигателя
Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.
В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:
В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.
Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя
Виды синхронных двигателей
В основном все отличия в конструктивном исполнении такого устройства – это модификации вращающейся детали. Ротор синхронной машины может быть с явно выраженными полюсами (т.н. «явнополюсный»), и с неявно выраженными полюсами (т.н.«неявнополюсный»).
Устройство синхронных машин, явнополюсные и неявнополюсные СМ.
Ответ:Конструктивная схема машины: В зависимости от расположения якоря синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой и средней мощности (рис. 285) выполняют с неподвижным якорем для удобства отвода электрической энергии от обмотки якоря или ее подвода к ней. Поскольку мощность возбуждения невелика, подвод постоянного тока к расположенной на роторе обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. В синхронных машинах с неподвижным якорем якорь 3 выполнен так же, как и статор асинхронной машины. На нем имеются пазы, в которых уложена трехфазная обмотка. Сердечник якоря запрессован в остов 2, для крепления машины на остове имеются лапы 6. Возможно также крепление с помощью фланца или другими способами. На валу ротора 4 установлен вентилятор 5, обеспечивающий охлаждение машины. Возбуждение синхронной машины осуществляется в данном случае от возбудителя 1. Конструкция ротора: В машинах с неподвижным якорем применяют две различные конструкции ротора: явнополюсную(рис. 286, а) и неявнополюсную (рис. 286,б). Явнополюсный (с явновыраженными полюсами) ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек 2 прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках 3 полюсов и укрепляют полюсными наконечниками 1.Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.
Рис. 285. Общий вид синхронной машины с возбудителем.
Рис. 286. Расположение обмотки возбуждения на роторе синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) машины.
Двухполюсные и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, выполняют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно, так как не обеспечивается необходимая механическая прочность крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения 2 в такой машине размещается в пазах сердечника 5 ротора, изготовленного из массивной стальной поковки, и укрепляется в них немагнитными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят стальными массивными бандажами. Примерно 1/3 каждого полюсного деления ротора не имеет пазов; эти части образуют так называемые «большие зубцы» 4, через которые входит и выходит поток возбуждения. По своему назначению синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы и синхронные двигатели. Назначение машины в значительной степени определяет и ее конструкцию. Турбогенераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Для получения стандартной частоты 50 Гц они должны иметь при двух полюсах частоту вращения 3000 об/мин, а при четырех полюсах—1500 об/мин. Гидрогенераторы приводятся во вращение тихоходными турбинами, частота вращения которых составляет несколько десятков или сотен оборотов в минуту, поэтому они выполняются с большим числом полюсов (16—96) и имеют явнополюсные роторы. Дизель-генераторы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, и синхронные двигатели небольшой и средней мощности выполняют обычно явнополюсными, мощные же двигатели — неявнополюсными. Дизель-генераторы и синхронные двигатели выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (рис. 287, а). В дизель-генераторе обычно имеется один подшипник; в качестве второй опоры ротора используется подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединяется с валом ротора генератора. В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках (рис. 287, 6) размещаются стержни беличьей клетки, выполненной из меди или латуни. С торцовых сторон ротора стержни соединяются с короткозамыкающими кольцами. В генераторах эту клетку называют демпферной обмоткой; она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при резких изменениях режима работы машины.
Примечания[править | править код]
Принцип работы СГ
Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:
В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.
Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.
Описание прибора
Устройство синхронного генератора:
Синхронный генератор работает в качестве генераторов и моторов. Он может переходить от графика работы генератора к графику двигателя – это зависит от действия вращающей либо тормозящей силы прибора. В графике генератора в него входит механическая, а исходит электроэнергия. В графике двигателя в него входит электрическая, а исходит механическая энергия.
Прибор включается в цепь переменного тока разного типа нелинейных сопротивлений. Синхронные агрегаты являются генераторами переменного тока на электростанциях, а синхронные моторы используются тогда, когда необходим двигатель, что работает с постоянной крутящейся частотой.
Принцип работы
На основании п.53 ГОСТ 27471-87 понятие синхронного двигателя подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. У которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальной работе.
С практической стороны это выглядит следующим образом:
В результате такого взаимодействия возникает поступательное вращение вала синхронного двигателя вокруг своей оси. Так как в индукторе постоянно присутствуют сформированные независимым источником силовые линии, частота его вращения полностью соответствует частоте напряжения, подаваемого в обмотки якоря. Возникает синхронизм в двигателе.
Регулирование частоты
Достигнуть требуемых параметров частоты можно 2 путями:
Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об./мин. для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. На дизельных электростанциях, при скоростях вращения 750 об./мин., оптимальное число полюсов – 8.
Типы синхронных двигателей
В целом синхронные двигатели подразделяются на несколько категорий, в зависимости от их конструктивных особенностей.
Так, для получения потока возбуждения используют:
В зависимости от конструкции ротора, выделяют явнополюсный и неявнополюсный синхронный двигатель.
По режиму работы могут использоваться в качестве электродвигателя, генератора или синхронного компенсатора.
Разновидности агрегатов
Синхронный генератор (мотор) подразделяется на несколько моделей, которые предназначены для разнообразных целей:
Применение
Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.
Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.
Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока
Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение. Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным. Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.
Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.
Режимы работы
На практике, каждая электрическая машина может применяться в различных режимах работы:
Какие синхронные генераторы изготавливаются с неявнополюсным ротором
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНХРОННЫХ МАШИН
Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра выштамповывают пазы для укладки обмотки якоря. Электротехническую сталь поставляют в виде листов или лент шириной не более 1 м. При внешнем диаметре сердечника менее 1 м его собирают из цельных кольцевых пластин, а при большем диаметре каждый кольцевой слой составляют из 
отдельных пластин, называемых сегментами (рис. 3). Сердечник размещают в станине (корпусе) статора.
По выполнению ротора машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные.
Обмотку возбуждения в мощных машинах для лучшего охлаждения выполняют из неизолированных медных шин большого сечения, намотанных на ребро. Между соседними витками укладывают изоляционные прокладки, пропитанные в смоле. Катушку запекают и устанавливают на полюсе, на который по периметру предварительно наносят корпусную изоляцию. В машинах небольшой мощности катушки обмотки возбуждения выполняют из изолированных проводников прямоугольного или круглого сечения.
На полюсах ротора часто укладывают демпферную обмотку. Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по торцам замыкают пластинами или кольцами так, что образуется клетка. Демпферные обмотки делятся на продольные и продольно-поперечные.
Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В генераторах она ослабляет влияние несимметричной нагрузки и снижает амплитуду колебаний ротора, возникающих в некоторых случаях при параллельной работе. В двигателях она является пусковой обмоткой, а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульсации нагрузки.
Явнополюсные роторы применяют в машинах большой мощности с относительно низкой частотой вращения, т. е. имеющих большое число полюсов. Синхронные машины с явнополюсным ротором и горизонтальным валом широко используют в качестве двигателей и генераторов. Общий вид ротора явнополюсной машины показан на рис. 7. Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного 
соединения с гидравлическими турбинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами (рис. 8).
Для уменьшения потерь в пяте между ее трущимися поверхностями (пяты и собственно подпятника) создается слой смазки достаточной толщины.
Для восприятия радиальных усилий, действующих на ротор гидрогенератора, на его валу устанавливают один или два направляющих подшипника. Один подшипник устанавливают при жестком фланцевом соединении валов гидрогенератора и турбины. Вторым направляющим подшипником в этом случае является направляющий подшипник турбины. Подпятник и направляющие подшипники размещаются на крестовинах, которые служат для восприятия и передачи вертикальных и радиальных усилий на фундамент или на корпус статора. Различают верхнюю и нижнюю крестовины.
В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные. В подвесном гидрогенераторе (рис. 9, а) подпятник расположен над ротором на верхней крестовине и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику.
В зонтичном гидрогенераторе подпятник расположен на нижней крестовине (рис. 9, б) или на крышке турбины и генератор в виде зонта находится над подпятником. При зонтичном исполнении гидрогенератор имеет меньшие массу и высоту, чем при подвесном исполнении, за счет уменьшения размеров верхней крестовины, имеющей больший диаметр, чем нижняя.
Механическая прочность различных деталей гидрогенераторов рассчитывается по так называемой угонной частоте вращения, которая в 2-3 раза больше номинальной и может иметь место в результате разгона ротора при аварийном отключении генератора от сети.
Неявнополюсные роторы (рис. 10 и 11) применяют в синхронных машинах большой мощности, имеющих частоту вращения п = 1500÷3000 об/мин. Изготовление машин большой мощности с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции ротора невозможно по условиям механической прочности ротора и крепления полюсов и обмотки возбуждения.
Из-за больших центробежных сил, действующих на обмотку возбуждения, ее крепление в пазах производят с помощью немагнитных металлических клиньев. Немагнитные клинья ослабляют магнитные потоки пазового рассеяния, которые могут вызывать насыщение зубцов и приводить к уменьшению полезного потока. Пазы большого зубца закрывают магнитными клиньями. Лобовые части обмотки закрепляют роторными бандажами. Обмотка ротора имеет изоляцию класса В или F. Выводы от обмотки возбуждения подсоединяют к контактным кольцам на роторе.
Вдоль оси ротора по всей его длине просверливают центральное отверстие, которое служит для исследования материала центральной части поковки и для разгрузки поковки от опасных внутренних напряжений. На рис. 12 дан общий вид турбогенератора. В турбогенераторах функцию демпферной обмотки выполняют массивное тело ротора и клинья.