Синхронной машиной (СМ) называется двухобмоточная ЭМ переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электросети с постоянной частотой f, вторая возбуждается постоянным током.

Наибольшее распространение получили СМ с трёхфазной разноимённополюсной р-периодной обмоткой на статоре (якоре) и с разноимённополюсной р-периодной обмоткой возбуждения (ОВ) на роторе (индукторе). Машины этого исполнения просто называют “синхронными машинами”, а СМ иного исполнения называют “специальные синхронные машины”. СМ небольшой мощности иногда изготавливаются в обращённом исполнении с ОВ на статоре и с трёхфазной обмоткой на роторе. Оба исполнения в электромагнитном отношении равноценны, однако для крупных СМ предпочтительнее основное исполнение, т.к. в этом случае с помощью скользящего контакта подводится мощность возбуждения, составляющая 0,3 – 2% преобразуемой мощности, а не полная мощность, как в обращённом двигателе.

Трёхфазная обмотка переменного тока называется иногда в СМ якорной обмоткой, и, соответственно, часть машины, несущая эту обмотку, называется якорем; часть машины, несущая ОВ, - индуктором. В основном исполнении статор является якорем, ротор – индуктором, в обращённом исполнении – наоборот. В СМ небольшой мощности для образования поля возбуждения часто используются постоянные магниты.

При работе СМ в режиме генератора возбуждённый ротор приводится во вращение с частотой n внешним механическим вращающим моментом (гидравлическая или паровая турбина). Ток ОВ I_f создаёт МДС F_f и магнитный поток, неподвижный относительно полюсов и замыкающийся через сердечник статора. Вращающимся потоком возбуждения в обмотке статора индуктируется ЭДС частотой f = рn/60. ЭДС фаз трёхфазной обмотки взаимно смещены во времени на электрический угол 120⁰. Если к обмотке статора присоединить симметричную нагрузку, то под действием ЭДС в ней и во внешней цепи будет протекать симметричная система токов I_А, I_В, I_С, которые создают МДС якоря F_а и магнитное поле, вращающееся со скоростью:

Ω = 2πf/р, т.е. синхронно с ротором (здесь р – число периодов магнитного поля). МДС якоря F_а может быть разложена по направлениям продольной d и поперечной q осей ротора (F_а = F_d + F_q). Результирующий вращающийся магнитный поток Ф образуется в результате совместного действия взаимно неподвижных МДС F _f и F _а. В результате взаимодействия потока Ф с током обмотки якоря возникает электромагнитный момент

М~ФIсоsφ, где I = I_А = I_В = I_С; φ – угол сдвига фаз напряжения U и тока I генератора. В генераторном режиме электромагнитный момент действует навстречу внешнему вращающему моменту, т.е. является тормозящим.

При работе СМ в качестве двигателя обмотка статора подключается к трёхфазной сети переменного тока, а обмотка ротора – к источнику постоянного тока. Обмотка статора создаёт вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с полем обмотки возбуждения возникает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор вращается с синхронной частотой. В установившемся режиме электромагнитный момент уравновешивается внешним тормозящим механическим моментом.

Назначение и области применения СМ.

Основная область применения СМ – преобразование механической энергии в электрическую. Преобладающая часть электроэнергии производится с помощью синхронных трёхфазных турбогенераторов и гидрогенераторов. Первые приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, вторые – гидротурбинами. Синхронные генераторы с приводом от других типов двигателей (дизельных, внутреннего сгорания, поршневых, паровых и др.) выполняются на небольшую мощность для питания автономных нагрузок.

СМ применяются также и в качестве двигателей, особенно в крупных установках, т.к. в отличие от АД они способны генерировать, а не потреблять реактивную мощность. Обычно СМ рассчитываются таким образом, чтобы они могли генерировать реактивную мощность, примерно равную активной мощности (соответственно около 0,6 и около 0,8 полной мощности). Зачастую оказывается выгодным устанавливать около крупных промышленных центров СМ, предназначенные исключительно для генерирования реактивной мощности, которые называются синхронными компенсаторами.

Согласно общему стандарту на электрические машины (ГОСТ 183-74), а также стандартам на турбогенераторы (ГОСТ 533-68), гидрогенераторы (ГОСТ 5616-72) и синхронные компенсаторы (ГОСТ 609-75) к числу номинальных данных СМ, указываемых на табличке, относятся:

а) номинальная мощность (для генераторов и синхронных компенсаторов – полная электрическая мощность, кВА; для двигателей – механическая мощность на валу двигателя, кВт);

б) номинальный коэффициент мощности (при перевозбуждении);

в) номинальный КПД (только для двигателей);

г) схема соединения фаз обмотки статора;

д) номинальное линейное напряжение обмотки якоря (статора), В;

е) номинальная частота вращения, об/мин (для гидрогенераторов указывается ещё и угонная частота вращения);

ж) номинальная частота тока якоря, Гц;

з) номинальный линейный ток якоря, А;

и) номинальные напряжения и ток обмотки возбуждения.

Все промышленные СМ выполняются на частоту 50 Гц. Требуемая синхронная частота вращения n, об/мин (или угловая скорость Ω рад/сек), обеспечивается выбором соответствующего числа периодов обмоток:

Таблица 1.

В зависимости от мощности турбины и напора воды частота вращения гидрогенераторов колеблется в пределах 50 ÷ 600 об/мин. Большие частоты вращения относятся к высоконапорным ГЭС с турбинами небольшой мощности, меньшие частоты – к низконапорным ГЭС с крупными турбинами.

Турбогенераторы, как правило, выполняются на частоту вращения 3000об/мин (р=1). При р = 2 (1500 об/мин) изготавливаются турбогенераторы для АЭС, где при имеющихся параметрах пара не всегда удаётся получить частоту вращения турбины более 1500 об/мин.

Гидрогенераторы выполняются преимущественно с вертикальной осью вращения. Турбина располагается под гидрогенератором, и её вал, несущий рабочее колесо, соединяется с валом генератора при помощи фланца. Гидроагрегаты, объединяющие турбину и гидрогенератор, являются крупнейшими машинами в промышленности. Их мощность достигает 200 – 715 МВА, высота 20 – 30 м. Ротор имеет явнополюсное исполнение.

Турбогенераторы, почти всегда выполняются с горизонтальной осью вращения. Диаметр ротора турбогенератора значительно меньше его активной длины и имеет неявнополюсное исполнение.

Синхронные двигатели выпускаются серийно мощностью от 100 кВт до нескольких десятков МВт на частоты вращения от 3000 до 100 об/мин. При частотах 3000, 15000 об/мин двигатели выполняются с неявнополюсными роторами; при частотах вращения 1000 об/мин и менее двигатели выполняются с явнополюсными роторами. На гидроаккумулирующих электростанциях применяются обратимые гидрогенераоры-двигатели. Мощность обратимых машин составляет 200 ÷ 300 МВт.

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью 15 ÷ 160 МВА при частотах вращения 750 ÷ 1000 об/мин. Ротор этих машин выполнен явнополюсным, охлаждение обычно водородное.

В зависимости от мощности и частоты вращения номинальные напряжения обмотки якоря (статора) СМ выбирается из числа стандартных напряжений: 0,23; 0,4; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75 кВ (для генераторов) и 0,22; 0,38; 3; 6; 10 кВ (для двигателей). Номинальное напряжение ОВ выбирается в пределах 24 ÷ 400 В.

С ростом мощности и частоты вращения КПД СМ увеличивается. При мощности 100 ÷ 4000 кВА КПД составляет 0,9 ÷ 0,95; в гидрогенераторах и турбогенераторах большой мощности он достигает 0,97 ÷ 0,99.

Таблица 2.

Синхронные генераторы (основные типы)

Таблица 3.

Синхронные двигатели (основные типы).