Синхронные трехфазные электрические машины чаще всего применяют в качестве генераторов. Синхронные электродвигатели применяют значительно реже, чем асинхронные, и только в тех случаях, если при данной мощности и режиме работы они оказываются экономичнее.
Машину называют синхронной потому, что ее ротор вращается с той же скоростью, что и вращающийся магнитный поток, созданный током в обмотке статора, т. е. ротор и магнитный поток вращаются синхронно.
В условиях строительства синхронные генераторы мощностью от 4 до 1000 кВА с приводом от двигателей внутреннего сгорания применяют для передвижных электрических станций и мощностью до 5000 кВА для энергопоездов с паротурбинными установками.
Синхронные электродвигатели изготовляют мощностью от 40 до нескольких тысяч кВА со скоростью вращения 500—1000 об/мин и применяют для электропривода, требующего постоянную неизменяемую скорость вращения. Синхронные машины применяют также в качестве синхронных компенсаторов — синхронных двигателей, работающих вхолостую и подающих в сеть реактивный ток, необходимый для поддержания высокого коэффициента мощности cos φ в сети, заменяя большие батареи статических конденсаторов.
§7.11. Устройство синхронных генераторов трехфазного тока
Синхронный генератор трехфазного тока состоит из неподвижного статора, вращающегося ротора и двух подшипниковых щитов.
Статор синхронного генератора трехфазного тока ничем не отличается от статора трехфазного асинхронного электродвигателя (рис. 7.16).
Ротор представляет собой вращающийся электромагнит, создающий магнитное поле, силовые линии которого пересекают провода обмоток статора. Ротор собран из листов электротехнической стали /, на полюса электромагнитов которого надеты катушки из проводов 2, называемые обмоткой возбуждения генератора.
Катушки электромагнитов ротора питаются постоянным током. В качестве источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения применяется обычно небольшой генератор постоянного тока, называемый возбудителем, вращающаяся часть которого (якорь) насажена на общий вал с синхронным генератором.
Питание обмотки возбуждения генераторов малой мощности производится также и от самого генератора выпрямленным переменным током полупроводниковыми выпрямителями.
Частота, т. е. число периодов в секунду э. д. с. и тока синхронного генератора, равна произведению числа пар полюсов ротора на число его оборотов в минуту, деленному на 60:
(7-10)
Из этой формулы следует, что число оборотов генератора в минуту п = 60//р при частоте 50 пер/с равно 3000/р.
Синхронные генераторы мощностью до 100 кВА изготовляют на 1500 и 1000 об/мин, иными словами, с двумя и соответственно тремя парами полюсов. Синхронные генераторы большей мощности изготовляют и на другие числа оборотов, например генераторы для непосредственного соединения с двигателями внутреннего сгорания на 600, 375 и 300 об/мин.
Наша промышленность выпускает также трехфазные синхронные генераторы малой мощности (15—30 кВА) с частотой 200 пер/с, предназначенные для питания электрических пил и других инструментов с электродвигателями повышенной частоты.
Рис. 7.16. Синхронный генератор типа СГ (поперечный разрез)
При данной конструкции машины величину э. д. с., а следовательно, и напряжения, развиваемого генератором, можно регулировать, изменяя силу постоялого тока в обмотках электромагнитов, т. е. тока возбуждения генератора; с увеличением тока возбуждения напряжение, развиваемое генератором, увеличивается, а уменьшение тока возбуждения приводит к снижению напряжения генератора.
У синхронных генераторов мощностью до 100 кВА изменение силы тока возбуждения производят обычно изменением напряжения возбудителя с помощью шунтового реостата. Для более крупных машин применяют специальные регулировочные реостаты, устанавливаемые в цепи возбуждения синхронного генератора. Применяемые на строительстве синхронные генераторы малой и средней мощности изготовляют на напряжения: 400/230 В с выведенным нулем, 230/133 В с выведенным нулем.
Мощные синхронные генераторы изготовляют на высокие напряжения: 3; 6; 10 и 13,75 кВ.
Активная мощность, развиваемая трехфазным синхронным генератором, как это следует из теории трехфазного тока, определяется выражением
(7.11)
где U — линейное напряжение, В;
1 — ток, А;
cos φ — коэффициент мощности, зависящий от потребителей энергии, получающих питание от генератора.
Так как один и тот же генератор при различных коэффициентах мощности может развивать различную предельную активную мощность, то синхронные генераторы маркируют по величине полной мощности в киловольт-амперах, определяемой напряжением и силой тока, на которые они рассчитаны. Соотношение между полной мощностью генератора S, кВА и активной мощностью Р, кВт, которую он может разбить, определяя формулой
Р = S cos φ. (7.12)
Средняя величина коэффициента мощности для небольших синхронных генераторов принимается равной 0,8. По активной мощности генератора при этом значении cos φ подбирают первичный двигатель для приведения его в действие.
При работе синхронного генератора происходят следующие потери электрической энергии: в проводах обмотки статора, в стали статора, в проводах обмотки возбуждения электромагнитов ротора, механические потери на трение. К потерям при работе синхронного генератора относятся также потери энергии в возбудителе, находящемся на общем валу с генератором. Отношение мощности, отдаваемой синхронным генератором в сеть, к мощности, получаемой от механического двигателя, называют коэффициентом полезного действия генератора.
Коэффициент полезного действия η синхронных генераторов небольшой мощности составляет в среднем 85—90%.
Включение в работу синхронных генераторов
Включение в работу одного синхронного генератора, питающего отдельную, т. е. не имеющую другого источника электрической энергии сеть, не представляет сложности.
После того как генератор получит необходимое число оборотов, постепенно выводят шунтовой реостат возбудителя, увеличивая тем самым ток в обмотке возбуждения генератора. При этом наблюдают по Вольтметру постепенное повышение напряжения на зажимах (выводах) генератора. По достижении нормального напряжения (400 или 230 В) генератор может быть включен в сеть.
Для включения в сеть генераторов, работающих при напряжении до 1000 В, применяют обычно автоматы; при их отсутствии могут быть использованы также рубильники в комплекте с плавкими предохранителями. Для генераторов, работающих при напряжении выше 1000 В, применяют специальные высоковольтные выключатели.
При работе синхронного генератора на сеть напряжение его не остается постоянным. С увеличением нагрузки, особенно если генератор питает асинхронные электродвигатели, напряжение на выводах генератора падает. Регулировать напряжение можно при помощи упомянутого выше шунтового реостата возбудителя.
Работу двух или более генераторов на одну и ту же сеть называют параллельной работой. Порядок включения синхронных генераторов на параллельную работу рассматривается в §7.12.
