Потери и кпд синхронной машины

Потери в синхронной машине делят на две группы: постоянные и переменные (зависящие от нагрузки).

К постоянным потерям, которые не зависят от тока якоря, относят: потери в обмотке возбуждения;

потери в стали (в сердечнике статора); потери механические.

К переменным потерям относят: потери в меди; дополнительные потери.

Дополнительные потери обусловлены колебаниями маг­нитного потока, вихревыми токами, которые индуцируются в различ­ных частях машины и т. п.

КПД синхронной машины определяют:

для генератора ; для двигателя ,

где — сумма всех потерь мощности; I и U — действующие значения линей­ных тока и напряжения.

Поскольку переменные потери зависят от нагрузки, от нее же зависит и КПД. Максимум КПД отвеча­ет нагрузке, несколько меньшей, чем но­минальная. Обычно КПД синхронных ма­шин средней мощности составляет 88…95%; большой мощности — 96…99%.

Графические обозначения синхронных машин

Стандартом установлены упрощенный и развернутый спо­собы обозначения синхронных машин (рис. 3.21). В упрощенных обо­значениях обмотки статора и ротора изображаются в виде окружности с указанием выводов.

Рис. 3.21 Рис. 3.22

Рис. 3.23 Рис. 3.24

В развернутых обозначениях обмотку статора изображают цепочкой полуокружностей, а обмотку ротора — окружностью (рис. 3.22). Явнополюсный ротор обозначают пунктирной окружностью. Знаками и Y указывают способ соединения статорной обмотки (рис. 3.21, 3.23).

На рис. 3.23 показано графическое обозначение трехфазной син­хронной машины с вращающимся выпрямителем. Обмотка статора этой машины соединена звездой с нейтральным проводом.

На рис. 3.24 приведено графическое обозначение синхронной ма­шины, которая возбуждается постоянными магнитами. Катушки обмотки статора этой машины соединены звездой.

Синхронные микромашины

Синхронные микромашины, как и обычные синхронные ма­шины, имеют ту особенность, что частота вращения n₁=n₂ жестко свя­зана с частотой сети питания f₁. Поэтому синхронные двигатели ис­пользуются в основном в устройствах, где нужно поддерживать постоянную скорость вращения (в часовых и программных механиз­мах, радиоприборах, лентопротяжных механизмах приборов, кинообо­рудовании). Кроме того, синхронные генераторы дают возможность индуцировать ЭДС повышенной частоты и измерять скорость вращения вала.

Синхронные микромашины можно классифицировать таким образом:

• синхронные микродвигатели с постоянными магнитами;

• реактивные двигатели;

• индукторные машины;

• шаговые двигатели;

• синхронные тахогенераторы.

Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами. В синхронных микродвигателях ротор имеет постоянные магниты и пусковую короткозамкнутую обмотку типа «беличье коле­со». Пуск такого двигателя осуществляется простым включением в сеть. Во время пуска до входа двигателя в синхронизм машина работает в асинхронном режиме. Ротор создает два момента: асинхронный; тормозной. Обычный асинхронный момент (M_a) создается «беличьей клеткой» (рис. 3.25). Постоянные магниты на роторе создают тормозной момент. Этот момент отсутствует в обычных синхронных двигателях, так как во время пуска обмот­ка возбуждения отключается от источника постоянного тока.

Рис. 3.25 Рис. 3. 26

Постоянные магниты со­здают тем больший тормозной момент, чем большей является степень возбуждения этих магнитов (рис. 3.26). Момент, который разгоняет ротор, — результирующий: . На результирующей механической характеристике появляются провалы, которые ухудшают условия пуска (рис. 3.27).

Например, при моменте на валу М₁ кривая 2 (когда высока степень возбуждения постоянных магнитов) не обеспечивает синхронного вращения вала. И только уменьшение возбуждения дает возможность войти в синхронизм.

Рис. 3.27

Двигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими типами синхронных машин имеют более высокие КПД и коэффициент мощности, стабильность скорости вращения. Но они потреб­ляют большой пусковой ток, что имеет значение при работе от полупроводнико­вых преобразователей.

Реактивный синхронный микродвигатель. Синхронный двигатель с явнополюсным ротором без обмотки возбуждения и постоянных магнитов, у которого магнитный поток создается реактивным током, проходящим по обмотке статора. Вращающий момент в таком двигателе возникает из – за различия магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям. При этом явновыраженные полюсы ротора стремятся ориентироваться относительно поля так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было минимальным. Вследствие этого появляются тангенциальные силы, образующие вращающий момент, и ротор вращается в том же направлении и стой же частотой вращения n₁, что и поле статора. Обмотка статора в двигателях общего применения распределенная, трех- или двухфазная с конденсатором в одной из фаз; она создает вращающееся магнитное поле. Ротор современного двигателя собирают из стальных листов аналогично роторам асинхронных двигателей; листы имеют впадины, которые заливают алюминием. Основное достоинство таких двигателей – простота конструкции. Существенные недостатки – низкий коэффициент мощности (соs φ= 0,5) и плохие пусковые свойства.

Гистерезисным синхронным микродвигателем называется машина, вращающий момент которой создается благодаря явлению маг­нитного запаздывания при перемагничивании ротора. Статор такого двигателя имеет обычную конструкцию с полюсами, создающими вра­щающееся магнитное поле.

Основным материалом ротора является магнитотвердый ферромаг­нетик. Этот материал имеет очень широкую петлю гистерезиса.

Под действием магнитного поля статора ротор намагничивается, но из-за явления гистерезиса ось намагничивания отстает от оси враща­ющегося магнитного поля. Благодаря углу рассогласования и возникает гистерезисный момент. Если момент сопротивления на валу будет боль­ше гистерезисного, то двигатель не будет работать в синхронном режи­ме. Чем шире петля гистерезиса, тем больше гистерезисный момент.

Преимущества гистерезисных микродвигателей - это простота кон­струкции и надежность в работе, высокий КПД (55...65%), малый пус­ковой ток. Но стоимость машины значительно повышается из-за доро­гих ферромагнетиков. Коэффициент мощности гистерезисных микродвигателей не превышает 0,5.

Индукторные машины. В электрических машинах наблюдается явление зубчатых ко­лебаний, т. е. неустойчивость значений электрических величин (тока, напряжения, ЭДС) вследствие того, что ротор барабанного типа выпол­нен зубчатым. Это, конечно, нежелательное явление. Но в индуктор­ных машинах специальная конструкция ротора дает возможность ге­нерировать ЭДС повышенной частоты.

Статор индукторного синхронного генератора имеет обмотку воз­буждения и обмотку якоря, в которой индуцируется переменная ЭДС. Ротор выполняется без обмотки с большим количеством зубцов. Он вра­щается внешней силой, и из-за наличия зубцов поток обмотки возбуж­дения превращается в пульсирующий. Этот поток пронизывает обмот­ку якоря и наводит ЭДС, частота которой полностью определяется скоростью вращения ротора и количеством зубцов

,

где f₁ — частота ЭДС генератора; z₂ — количество зубцов ротора; n₂ — скорость вращения ротора.

Индукторные генераторы имеют низкий КПД (до 0,5) из-за больших дополнительных потерь в стали, связанных с высокой частотой перемагничивания.

Шаговые синхронные двигатели дают возможность преоб­разовывать импульсы электрической величины в пульсирующее дви­жение ротора.

Статор шагового двигателя имеет явные полюсы с обмотками управления. Ротор бывает нескольких типов. Достаточно распростра­нен ротор с постоянными магнитами.

На обмотки управления подают импульсы напряжения от коммута­тора. Обмотки создают поле, которое скачками изменяет свою ориента­цию по отношению к импульсам источника. Ротор ориентируется син­хронным моментом в соответствии с полем статора также скачками.

Шаговые синхронные микродвигатели распространены в цифровой вычислительной технике и приборах управления.