Синхронна машина

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Синхронен двигател-генератор, използван като Токоизправител (1909)

Синхронна машина е краткото име на Синхронна електрическа машина за променлив електрически ток[1]. Когато се използва като генератор, синхронната машина е по-известна като алтернатор.

История[редактиране | edit source]

Системи за генериране на променлив ток са познати още от откриването на електромагнитната индукция. Ранните машини са били направени от пионери като Майкъл Фарадей.

Лорд Келвин и Себастиян Феранти също са правили ранни алтернатори, работещи на честоти между 100 и 300 херца. През 1891г. Никола Тесла патентова практически високочестотен алтернатор, който работи на около 15 килохерца, честота. След 1891г. започват да се произвеждат многофазни алтернатори, за да осигуряват многофазен ток. Произвеждат се и алтернатори с регулируема честота между 16 и 100 херца за използване при осветителни тела и електрически мотори.

Въведение[редактиране | edit source]

Синхронната машина е електрическа машина при която роторното и статорното магнитно поле се въртят синхронно. Синхронните машини са получили разпространение предимно като генератори (известни още като алтернатори), но намират приложение и като електро двигатели и компенсатори. Синхронната машина се състои от статор и ротор, разделени от въздушна междина, която при синхронните машини е по-голяма отколкото при асинхронните. Принципно статорът на синхронните машини е котва на машината. По конструкция синхронните машини се разделят на две основни групи в зависимост от конструкцията на ротора: явнополюсни и неявнополюсни[2] . Общото в устройството на роторите на синхронните машини (явнополюсни и неявнополюсни) е, че те имат възбудителни намотки, които се захранват с постоянен ток. Този ток се произвежда от постояннотоков генератор, който се нарича възбудителка, или се получава от някакъв друг източник. Възбудителният ток се подава на роторната (възбудителната) намотка чрез контактни пръстени и четки. При явнополюсните машини магнитната проводимост не е еднаква по всички радиални посоки, която особеност не съществува при неявнополюсните. Затова много често явнополюсните и неявнополюсните машини се разглеждат отделно.

Генераторен режим[редактиране | edit source]

Принципна схема на алтернатор: въртяща се магнитна среда (ротор) и неподвижен проводник около него (статор). В статора се индуцира електрически ток от магнитното поле на въртящия се ротор.

Алтернаторите генерират електричество както и правотоковите генератори. Когато магнитното поле около проводник се променя, ток се индуктира в проводника. Основно се използва въртяща се част наречена ротор, в която има поставен постоянен магнит и се върти около статора (стационарната част от механизма), в който са поставени намотки. Магнитното поле минава през проводниците и генерира електродвижещо напрежение, а механическа сила е осигурена за задвижването на ротора.

Въртящия се магнит индуцира променливо напрежение в статорните намотки. Често се използват три намотки физически разделени една от друга, за да може да се създаде трифазна верига и трите фази са дефазирани на 120 градуса една спрямо друга.

Магнитното поле на ротора може да се получи от индукция, от постоянни магнити или от роторни възбудителни намотки с постоянен ток. Магнитното поле на ротора може да се осигури от стационарни намотки с движещи се полюси в ротора.

Автоматичен регулатор на напрежението може да се използва за контролиране на тока генериращ магнитното поле на ротора, за да поддържа изходното напрежение постоянно. Ако изходното напрежение спадне, заради увеличена консумация повече ток се осигурява в роторните намотки през регулатора на напрежение. Това увеличава магнитното поле около възбудителните намотки, което индуктира по-високо напрежение в изходните намотки на статора и така изходното напрежение остава непроменено.

Алтернаторите използвани в основните енергиини системи може също да контролират тока генериращ магнитното поле, за да се регулира реактивната мощност и да се помогне стабилизацията на мощността в системата срещу ефектите на внезапни прекъсвания.

Натоварване на синхронната машина[редактиране | edit source]

Схема на трифазен алтернатор. Стрелките показват големината и посоката на тока във всяка от намотките.
Диаграма на трифазен електрически ток.

Най-често синхронните машини са трифазни. При работа на празен ход в трите фази на синхронната машина се индуктират е.д.н., които образуват симетрична система. При еднакви пълни съпротивления (консуматори) включени към котвената намотка, съществува симетрична система токове. Токовете в котвената намотка създават свое магнитно поле, което е кръгово въртящо се със синхронна честота на въртене. Следователно полето на възбуждането и полето на котвата се въртят синхронно и от двете се получава резултатно магнитно поле. Именно въздействието на котвеното поле върху полето на възбуждането, в резултат на което се получава резултатното магнитно поле на машината, се нарича реакция на котвата. При натоварване с активен товар магнитодвижещото напрежение (м.д.н.) на индуктора (възбудителната намотка-ротора) е перпендикулярно на м.д.н. на статорната намотка. В такъв случай съществува напречна реакция на котвата. При натоварване с чисто индуктивен товар реакцията на котвата е насочена срещу м.д.н. на възбуждане и е размагнитваща. При натоварване с чистокапацитивен товар реакцията на котвата е по посока на м.д.н. на възбудителя и е намагнитваща. При индуктивно и капацитивно натоварване, възниква реакция, която е по оста на индуктора. Тя се нарича надлъжна реакция (по надлъжната ос d).

Таблица на синхронизирани скорости[редактиране | edit source]

Изходната честота на генератора зависи от броя на полюсите (които могат да бъдат в статора или ротора) и оборотите в минута на ротора. Тази таблица дава някои основни примери: n = 2 х 60 x f / p, където: n - обороти на машината; f - честота на въртене на машината / 50 Hz или 60 Hz/ , умножена по шейсет за една минута, разделено на чифтовете полюси.

Полюси Обороти в минута за 50Hz Обороти в минута за 60Hz
2 3000 3600
4 1500 1800
6 1000 1200
8 750 900
10 600 720
12 500 600
14 428.6 514.3
16 375 450
18 333.3 400
20 300 360

Синхронни двигатели[редактиране | edit source]

Синхронните машини могат да се използват и като двигатели. Особено бурно това стана след създаването на мощни ключови транзистори от типа IGBT, MOSFET и тиристори GTO, IGCT, SGCT имащи възможност и за изключване по управляващия електрод. Синхронните двигатели са незаменими при използването им за свръх мощности. В момента най-големият синхронен двигател е с мощност 220 MW и се използва за задвижване на вентилатор за аеродинамична тръба. Използват се като двигатели и в помпено акумулиращи водноелектрически централи (ПАВЕЦ). Както и при асинхронния двигател и тук оборотите n зависят от :

n= 2*60f/p където f – е честотата на мрежата, p – е чифтове полюси

Пускане на синхронен двигател[редактиране | edit source]

Пускането на синхронният двигател e един от най-важните му режими на работа, имайки предвид че скоростта на въртене зависи от честотата на захранващото напрежение. Пускането с е сложно и от гледна точка на инерцията на ротора. При всички случаи е наложително плавно влизане в синхронизъм при пускане.

Mдин=J∑dω/dt,
където: J – сумарен момент на инерция на задвижването
ω — честота на въртене

Синхронният двигател се нуждае от възбуждане на постоянно магнитно поле. То става по няколко начина:

  • Външно (независимо)
  • Собствено (с възбудителна машина на вала на асинхронния двигател )
  • Самовъзбуждане
  • С постоянни магнити (много перспективно).

Синхронният двигател се нарича "синхронен", защото честотата на въртене на ротора е синхронна с въртящото се магнитно поле образувано от статорната намотка. При пускане той не може веднага да тръгне в синхронен режим. Обикновено в ротора му е монтирана успокоителна намотка, която се използва за развъртане в асинхронен режим и при намаляване на хлъзгането се пуска ток в работната роторна намотка и двигателят влиза в синхронизъм. В съвременните машини това става автоматично. Синхронната машина по същество една и съща машина като синхронен двигател и синхронен генератор. Големите синхронните двигатели са по-ефективни от асинхронни двигатели. Синхронният двигател, с възбуждане от постоянен ток, лесно може да промени фактора на мощността си като се промени тока на възбуждането. Направата на синхронни двигатели е по-сложно, отколкото направата на асинхронни двигатели, поради необходимостта от система за възбуждане. Преимуществото на синхронни двигатели с постоянни магнити, че те не се нуждаят от ток за възбуждане.

Изисквания към възбуждането[редактиране | edit source]

То трябва да сигурно и икономично. Възбудителния ток трябва да може да се регулира в известни граници, бързо и да поддържа статичната и динамична устойчивост. Ако трябва да се използва за компенсация на cos φ, при увеличаване на съпротивителния момент на вала на електродвигателя трябва да се увеличи и възбуждането му, (реакция на котвата) с цел запазване на cos φ. Както е известно cos φ може да е положителен или отрицателен. При недовъзбуждане се консумира индуктивна енергия, при превъзбуждане се генерира. В последните години нарасна използването на синхронни двигатели съвместно с полупроводникови схеми на възбуждане, поради малката инертност при регулиране на възбудителното напрежение (от порядъка на ms), но най-перспективни са синхронни двигатели с постоянни магнити .

Постоянни магнити за синхронни двигатели[редактиране | edit source]

Повечето съвременни синхронни двигатели използват неодимовите магнити. Това са постоянни магнити, направен от сплав на неодим, желязо и бор — Nd2Fe14B) или самарий-кобалт (Sm-Co) също така се използват постоянните магнити от типа Alni, Alnico и Ticonal представляващи сплави на базата на Fe, Al, Ni, Co, Cu и Ti. Те се отличават с относително висока остатъчна намагнитеност Br и висока магнитна енергия (ВН)мах, нисък коефициент на температурни изменения - 0.02%/°С, висока точка на Кюри - 850°С и работна температура до 450°С. Тези характеристики ги правят незаменими при използуването им в електродвигатели измервателни прибори, прецизни акустични преобразуватели, сензорни и други устройства, Новите технологии при производството им, създадени при свръхналягане, лазерна заварка, уникален процес на намагнитване позволиха масовото им използване в синхронните двигатели (Permanent Magnetic Synchronous motor).

В последното десетилетие предпочитание се дава на високо енергийните магнити на основата на сплави от рядкоземни метали, имащи висококерцитивна сила. Това позволява значително да се подобри масогабаритния показател и да се получи по-висок въртящ момент, така и намаляване обема на статора. Самарий-кобалт (Sm-Co) и неодим-желязо-бор Nd2Fe14B (Nd-Fe-b) са най-разпространени материали за съвременни магнити.

Вижте също[редактиране | edit source]

Източници[редактиране | edit source]

  1. Fitzgerald, A. E. и др. Chapter 6, Synchronous machines, steady state. // Electric Machinery, 3rd Ed.. USA, McGraw-Hill, 1971. Library of Congress Catalog No. 70-137126. с. 283–330.
  2. James G Stallcup, Stallcup's Generator, Transformer, Motor and Compressor, page 15-13, Jones & Bartlett, 2012 ISBN 1449695191.