Индукторные синхронные машины

Синхронные электродвигатели

Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.

Синхронные двигатели выполняют с горизонтальным расположением вала. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявнополюсными. Эти машины изготовляются с применением щитовых или стояковых подшипников. Охлаждение двигателей воздушное, с самовентиляцией. В тихоходных машинах на ободе ротора у каждого полюса устанавливаются небольшие лопатки, заменяющие собой вентилятор.

На полюсах двигателей и синхронных компенсаторов, кроме обмотки возбуждения, всегда располагается демпферная обмотка, с помощью которой осуществляется пуск синхронной машины. В зависимости от условий пуска стержни демпферной обмотки могут быть медными и латунными.

 

 

2. Индукторные синхронные машины

 

1. Индукторные синхронные генераторы

Некоторые устройства, например установки индукционного нагрева, гироскопические и радиолокационные устройства, требуют для своей работы переменного тока повышенной частоты, выражаемой сотнями и даже тысячами герц. Получение таких переменных токов посредством синхронных генераторов обычной конструкции сопряжено с непреодолимыми трудностями, так как связано с необходимостью либо увеличения частоты вращения свыше 3000 об/мин, либо чрезмерного увеличения числа полюсов, либо одновременного применения обоих мероприятий. Однако увеличение частоты вращения ведет к возрастанию центробежных усилий в роторе до опасных значений, а увеличение числа полюсов ведет к такому уменьшению полюсного деления , при котором размещение обмотки на статоре становится практически невозможным.

Для получения переменного тока повышенной частоты (до 30 кГц) применяют индукторные генераторы, отличительным признаком которых является то, что за один период магнитный поток в них не меняет своего знака, как в обычных синхронных генераторах, а лишь изменяется от до значений, т. е. пульсирует (рис. 3, а). Пульсирующий поток состоит из двух составляющих: постоянной и переменной , представляющей собой периодически изменяющийся как по значению, так и по направлению магнитный поток с амплитудой  =0,5( - ).Постоянная составляющая потока не наводит в обмотках ЭДС, а переменная составляющая, сцепляясь с рабочей обмоткой генератора, наводит в ней ЭДС.

Существует несколько конструктивных схем индукторных генераторов. Все они основаны на создании пульсаций магнитного потока за счет изменения проводимости магнитной цепи, т. е. за счет зубцовых пульсаций магнитного потока. Для этого статору и ротору генератора придают зубчатую структуру. Когда зубец ротора находится против зубца статора, то магнитный поток в зубце статора приобретает наибольшее значение, когда же против зубца статора расположен паз ротора, то магнитный поток в этом зубце статора становится наименьшим. При этом частота изменений переменного магнитного потока, а следовательно, и частота ЭДС, наведенной в рабочей обмотке этим потоком, пропорциональны числу зубцов ротора 2:

.

Рассмотрим одну из конструкций индукторного генератора, называемую сдвоенной (рис. 3, ). Статор 1 и ротор 5 генератора выполнены сдвоенными. Обмотка возбуждения 2, располагаемая на статоре, подключена к источнику постоянного тока и создает магнитный поток, замыкающийся вдоль вала ротора 4, при этом на каждой части статора (и ротора) возбуждаются полюсы одной полярности. Число зубцов на статоре и на роторе одинаково. Пульсации магнитного потока происходят за счет смещения. 5цов вращающегося ротора относительно зубцов статора. На каждом зубце статора расположена катушка 3, в которой переменной составляющей магнитного потока наводится ЭДС.

 

Рис. 3. Индукторный генератор сдвоенного типа:

 — график  магнитного потока; б — устройство генератора;

— взаимное расположение зубцов статора и ротора

 

Весьма важным в индукторных генераторах является обеспечение постоянства общего магнитного потока при вращении ротора, так как в противном случае в обмотке возбуждения 2 будет индуцироваться ЭДС высокой частоты. В рассматриваемом индукторном генераторе постоянство общего магнитного потока обмотки возбуждения обеспечивается тем, что один пакет ротора смещен относительно другого пакета на половину зубцового деления (рис. 23.12, в). Благодаря этому магнитное сопротивление суммарному потоку возбуждения остается неизменным при любом положении ротора. Это позволило ротор генератора сделать стальным монолитным (а не шихтованным) профрезерованными пазами.

Коэффициент полезного действия генераторов индукторного на несколько ниже, чем у генераторов промышленной частоты (50 Гц), из-за повышенных электрических потерь в обмотке статора, обусловленных эффектом вытеснения тока, вызывающего увеличение активного сопротивления обмотки. Отсутствие обмоток на роторе позволяет исключить в индукторном генераторе контактные кольца. Это упрощает конструкцию генератора и повышает его надежность.

Генераторы индукторного типа применяются в качестве возбудителей турбогенераторов серии ТВВ. В отличие от индукторного генератора сдвоенного типа ротор возбудителя имеет шихтованную конструкцию. Вентиляция генератора выполнена по замкнутому циклу с применением газоохладителей.

В индукторных машинах используют принцип генерирования переменного тока, основанный на действии зубцовых гармонических. На статоре индукторного генератора расположены обмотка возбуждения и обмотка якоря, в которой индуцируется переменная ЭДС. Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает неподвижное относительно статора магнитное поле. Роторы индукторных генераторов всех типов выполняют без обмоток с большим количеством зубцов. Отсутствие обмотки возбуждения на роторе, а следовательно, и скользящих контактов для подвода к ней тока, существенно повышает надежность индукторных генераторов по сравнению с синхронными генераторами нормального исполнения. Кроме того, индукторные генераторы позволяют получать токи повышенной частоты (400 - 30 000 Гц), а в синхронных генераторах нормального исполнения, частота которых f1 = рn2/60, это затруднительно (увеличение частоты вращения их ротора ограничено его механической прочностью, а значительное увеличение числа полюсов 2р невозможно по условиям размещения обмоток),

В зависимости от расположения обмотки возбуждения индукторные генераторы подразделяют на генераторы с радиальным и осевым возбуждением. При радиальном возбуждении обмотка возбуждения создает магнитный поток Фв, проходящий через статор и ротор в радиальном направлении. Обмотка якоря расположена в малых пазах пакета статора, а обмотка возбуждения — в больших пазах. При осевом возбуждении магнитный поток Фв замыкается в осевом направлении через ротор.  

В некоторых конструкциях индукторных машин вместо обмотки возбуждения применяют постоянные магниты, потоки которых замыкаются в радиальном или осевом направлении. Зубчатый ротор индукторного генератора создает в различных точках воздушного зазора магнитное сопротивление, которое зависит от того, что находится под рассматриваемой точкой зазора — зубец или паз ротора. При вращении ротора постоянное магнитное поле остается неподвижным, а переменное перемещается вместе с зубцами ротора, индуцируя В проводниках обмотки якоря ЭДС, изменяющуюся с частотой f1 = z2n2/60, где z2 — число зубцов ротора,

Е = 4,44f1wа ko6 a Фпm ,

 

где Фпт = 0,5 (Фп mах - Фп min )- амплитуда переменной составляющей магнитного потока одного полюса.

В обмотке возбуждения переменная ЭДС практически не наводится, так как поток, сцепленный с ней, не изменяется. Если на статоре имеются полюсные выступы, то кривая распределения индукции приобретает более сложную форму (рис. 7.9,б). Но и в этом случае первая гармоническая ее индуцирует в обмотке якоря ЭДС, частота изменения которой пропорциональна числу зубцов z2 ротора.

В трехфазном индукторном генераторе (рис. 7.10) каждой фазе обмотки якоря соответствует одна пара полюсов статора. Обмотка возбуждения создает двухполюсное магнитное поле, т. е. каждый полюс, образованный этой обмоткой, состоит из трех полюсов статора (расщеплен на три части). Зубцы соседних полюсов статора смещены относительно зубцов ротора на 1/6 зубцового деления, поэтому максимум магнитного потока перемещается от одного полюса к другому при повороте ротора на 1/6 зубцового деления. При вращении ротора в каждой фазе обмотки якоря индуцируется ЭДС с той же частотой f1 , что и в одной фазной машине, но ЭДС соседних фаз сдвинуты во времени на 120°.

Индукторные генераторы имеют более низкий КПД (0,4—0,5), чем синхронные генераторы нормального исполнения; это объясняется значительным увеличением добавочных потерь мощности в стали сердечника и обмотке якоря из-за высокой частоты перемагничивания.

 

2. Индукторные синхронные двигатели

Индукторная синхронная машина обратима, т. е. она может работать не только в генераторном, но и в двигательном режиме. Индукторные синхронные двигатели позволяют получать весьма малые частоты вращения без применения механических редукторов. Синхронная частота вращения такого двигателя при частоте питающего напряжения , зависит от числа зубцов 2 в сердечнике ротора: , = 60/ 2. Например, при = 50 Гц и 2 = 100 получим  = 50×60/100 = 30 об/мин.

Для получения вращающегося магнитного поля обмотку статора индукторного двигателя делают либо трехфазной, либо однофазной. В последнем случае на статоре помимо рабочей располагают еще и пусковую обмотку, включаемую в сеть через пусковой конденсатор.

 

Рис. 23.13. Возбудитель индукторного типа мощностью 2700 кВ×А

1 — статор; 2 — ротор; 3 — газоохладитель

Трех- и двухфазные индукторные машины широко применяют не только в качестве генераторов, но и в качестве двигателей. Синхронная частота вращения их 
n2 = 60f1/z2 , частота вращения магнитного поля статора n1 = 60f1/p.

n1 /n2 = z2 /p = kред

 

Отношение  называют коэффициентом редукции; он показывает, во сколько раз частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля, поэтому индукторные двигатели часто называют редукторными. Редукторные двигатели могут быть трех типов: с электромагнитным возбуждением (на статоре или роторе), с постоянными магнитами или без возбуждения (реактивные). В зависимости от расположения обмотки возбуждения или постоянных магнитов различают двигатели с осевым и радиальным возбуждением. Принцип действия реактивного индукторного двигателя можно рассмотреть на примере схемы трехфазной индукторной машины, полагая, что ее обмотка возбуждения разомкнута. В исходный момент времени ось магнитного потока совпадает с осью полюсов 2-2', и ротор расположен так, что магнитное сопротивление для потока, замыкающегося по этой оси, является минимальным. Когда ось вращающегося магнитного потока поворачивается и совпадает с осью полюсов 3-3', на зубцы, расположенные под этими полюсами действует реактивный момент. При этом ротор поворачивается на 1/3 зубцового деления против направления вращения поля так, что зубцы на роторе встают против зубцов на полюсах 3-3'. При дальнейшем вращении магнитного поля происходит вращение ротора, но повороту поля на половину окружности якоря 0,5πDa соответствует поворот ротора всего на одно зубцовое деление πDa /z2. Таким образом, коэффициент редукции

kред = 0,5πDa z2 /(πDa ) = 0,5z2 .

В общем случае частота вращения ротора

п2 = п1 /kред = 2•60f1 /(рz2 ).

Обычно 2р = 2 и частота вращения ротора

n2 = 120f1 /z2 .

 

На рис. 7.11 показана другая разновидность редукторного реактивного двигателя, в котором на статоре нет гребенчатых выступов, а имеются пазы, число которых больше или меньше числа пазов ротора, т. е. зубцовые деления статора и ротора различны. Вращающий момент в таком двигателе возникает по тем же причинам, что и в рассмотренном выше двигателе (см. рис. 7.10). Ротор в редукторном двигателе может вращаться как по направлению, так и против направления вращения магнитного поля статора. Это зависит от соотношения зубцовых делений статора и ротора.

Пуск редукторных двигателей осуществляется с помощью короткозамкнутой обмотки, расположенной на роторе. Если частота вращения низка, а ротор имеет малый момент инерции, то он может втягиваться в синхронизм непосредственно, без каких-либо пусковых приспособлений. Таким способом запускаются двигатели, у которых ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля.