Zweck und Anordnung von Synchronmaschinen

Synchronmaschine – eine Wechselstrommaschine, bei der die Drehzahl des Rotors bei konstanter Stromfrequenz in den Statorwicklungen konstant bleibt und nicht von der Größe der Belastung der Welle der Maschine abhängt.

Synchronmaschinen Sie werden hauptsächlich zur Umwandlung der mechanischen Energie von Antriebsmaschinen in elektrische Energie, also als Generatoren elektrischer Wechselstromenergie, eingesetzt. Synchronmaschinen werden jedoch auch als Motoren, Blindleistungskompensatoren und andere Geräte eingesetzt.

In Industrieanlagen werden am häufigsten Drehstrom-Synchronmaschinen eingesetzt. Einphasen-Synchronmotoren werden in elektrischen Antrieben von Kompressoren, leistungsstarken Lüftern, Motoren mit geringer Leistung in verschiedenen automatischen Geräten usw. eingesetzt.

Synchronmaschinengerät

Eine dreiphasige Synchronmaschine besteht aus einem stationären Stator und einem darin rotierenden impliziten oder konvexen Polrotor, zwischen ihnen befindet sich ein Luftspalt, dessen radiale Größe durch die Nennleistung der Maschine und ihre Drehzahl bestimmt wird und variiert Bruchteile bis zu mehreren zehn Millimetern.

Der Stator einer solchen Maschine unterscheidet sich im Design praktisch nicht vom Stator einer Induktionsmaschine. Er verfügt über eine dreiphasige Wicklung, deren Phasenanfang mit C1, C2, C3 und deren Enden mit C4, C5 bezeichnet sind. C6 und werden an Klemmen mit ähnlichen Bezeichnungen angeschlossen, wodurch Sie die Phasen der Statorwicklung mit Dreieck oder Stern verbinden können.

Die Phasen der Statorwicklung eines Drehstrom-Synchrongenerators sind überwiegend im Stern geschaltet, da dadurch in einem Drehstrom-Vierleiternetz um das √3-fache unterschiedliche Netz- und Phasenspannungen auftreten können (Abb. 1). ).

Reis. 1. Schema zum Anschluss eines dreiphasigen Vierphasennetzes an die Anschlüsse der Statorwicklung eines dreiphasigen Synchrongenerators bei Sternschaltung der Phasen.

Der Rotor einer Synchronmaschine ist ein elektromagnetisches Gleichstromsystem mit einer Wicklung, die die gleiche Polzahl wie eine dreiphasige Statorwicklung hat. Die magnetischen Kraftlinien werden zwischen den jeweiligen Nord- und Südpolen des Rotors durch den Luftspalt und die Zuleitung des Stators geschlossen (Abb. 2, a, b).

Die Rotorwicklung oder Feldwicklung wird von einem Gleichrichter oder einem kleinen Gleichstromgenerator gespeist – einem Erreger, dessen Leistung 0,5 bis 10 % der Nennleistung einer Synchronmaschine beträgt. Der Erreger kann sich auf derselben Welle wie eine Synchronmaschine befinden, von deren Welle über ein flexibles Getriebe angetrieben werden oder von einem separaten Motor angetrieben werden.

Der implizite Polrotor einer Synchronmaschine ist ein massiver oder zusammengesetzter Zylinder aus Kohlenstoffstahl oder legiertem Stahl, auf dessen Oberfläche in axialer Richtung Rillen eingefräst sind. Diese Schlitze enthalten eine Spule aus isoliertem Kupfer- oder Aluminiumdraht.Der Anfang von I1 und das Ende von I2 dieser Wicklung sind mit zwei Schleifringen verbunden, die auf einer Isolatorhülse montiert sind, die sich auf der Maschinenwelle befindet und mit dem Rotor rotiert.

Die festen Bürsten werden gegen die Ringe gedrückt, von denen die Drähte zu den mit I1 und I2 gekennzeichneten Klemmen geführt werden, um sie an eine Quelle konstanter elektrischer Energie anzuschließen. Die großen, ungeschlitzten Rotorzylinderzähne bilden die Rotorpole.

Ein impliziter Polrotor hat normalerweise zwei oder vier Pole abwechselnder Polarität und wird in Hochgeschwindigkeits-Synchronmaschinen verwendet, insbesondere in Turbinengeneratoren – dreiphasigen Synchrongeneratoren, die direkt mit Dampfturbinen verbunden sind und für eine Drehzahl von 3000 oder 1500 Umdrehungen pro Minute ausgelegt sind Wechselstromfrequenz 50 Hz...

Reis. 2. Das Gerät einer dreiphasigen Synchronmaschine mit einem Rotor: a – versteckter Pol, b – hervorstehender Pol, 1 – Rahmen, 2 – Statormagnetkreis, 3 – Statordrähte, 4 – Luftspalt, 5 – Rotorpol, 6 – Polspitze, 7 – gerade auf dem Rotor, 8 – Wicklung der Erregerspule, 9 – Kurzschluss, 10 – Schleifringe, 11 – Bürsten, 12 – Welle.

Der offenpolige Rotor einer Synchronmaschine mit vier oder mehr Polen hat ein massives oder ausgekleidetes Joch aus Stahlblechen, an dem ähnlich aufgebaute Stahlpfosten mit rechteckigem Querschnitt befestigt sind, die in Zacken enden (Abb. 2, b ). Die miteinander verbundenen Spulen liegen in den Polen und bilden eine Erregerspule.

Ein solcher Rotor wird in langsam laufenden Synchronmaschinen verwendet, bei denen es sich um Hydrogeneratoren und Dieselgeneratoren handeln kann – bzw. dreiphasige Synchrongeneratoren, die direkt mit hydraulischen Turbinen oder Verbrennungsmotoren verbunden sind und für Drehzahlen von 1500, 1000, 750 und ausgelegt sind niedrigere Drehzahl bei einer Wechselstromfrequenz von 50 Hz.

Viele Synchronmaschinen haben auf dem Rotor zusätzlich zur Erregerwicklung eine kurzgeschlossene Kupfer- oder Messing-Dämpfungswicklung, die sich bei einem nicht glattpoligen Rotor kaum von einer ähnlichen Wicklung auf dem Rotor einer Induktionsmaschine unterscheidet, und in Bei einem Rotor mit ausgeprägtem Pol besteht er aus einer unvollständigen, kurzgeschlossenen Spule, deren Stäbe nur in den Nuten eingebettet sind und im Zwischenpolraum fehlen. Diese Wicklung trägt zur Dämpfung von Rotorschwingungen in instationären Modi einer Synchronmaschine bei und sorgt auch für den asynchronen Start von Synchronmotoren.

Synchronmaschinen bis 5 kW werden teilweise in umgekehrter Bauweise mit Statorfeldwicklung und dreiphasiger Rotorwicklung hergestellt.

Wirkungsgrad eines dreiphasigen Synchrongenerators

Der Betrieb von Drehstrom-Synchronmaschinen im Generatorbetrieb geht mit Energieverlusten einher, die ihrer Natur nach den Verlusten von Asynchronmaschinen ähneln. Dabei wird der Wirkungsgrad eines dreiphasigen Synchrongenerators durch den Wert des Wirkungsgrades (Wirkungsgrad) charakterisiert, der bei symmetrischen Lastbedingungen durch die Formel bestimmt wird:

η = (√3UIcosφ) / (√3UIcosφ + ΔP),

wobei U und I – Betriebsspannung und -strom des Netzes, cosφ – der Leistungsfaktor der Empfänger, ΔP – Gesamtverluste entsprechend der gegebenen Belastung der Synchronmaschine.

Der Wirkungsgrad (Wirkungsgrad) von Synchrongeneratoren hängt von der Größe der Last und dem Leistungsfaktor der Empfänger ab (Abb. 3).

Reis. 3. Diagramme der Abhängigkeit des Wirkungsgrades eines dreiphasigen Synchrongenerators von der Last und dem Leistungsfaktor der Empfänger.

Der maximale Wirkungsgrad entspricht einer Belastung nahe dem Nennwert und beträgt für Maschinen mittlerer Leistung 0,88–0,92 und für Generatoren hoher Leistung einen Wert von 0,96–0,99. Trotz des hohen Wirkungsgrades großer Synchronmaschinen ist es aufgrund der großen erzeugten Wärmemenge erforderlich, die Wicklungen mit Wasserstoff, destilliertem Wasser oder Transformatoröl zu kühlen, was zu einer besseren Wärmeableitung beiträgt und auch eine kompaktere und kompaktere Bauweise ermöglicht effiziente Drehstrom-Synchronmaschinen.