Устройство и принцип работы синхронного двигателя

Как и все электрические машины, синхронные машины обратимы. Синхронный двигатель по своей конструкции принципиально не отличается от синхронного генератора. В случае идеальной синхронизации подклю­ченная к сети синхронная машина не отдает энергию в сеть и не потребляет ее от сети. Покрытие потерь в машине осу­ществляется за счет первичного двигателя. Изменение мо­мента, приложенного к валу машины, приведет к изменению угла 0(кю) между полем ротора и суммарным магнитным по­лем машины, не нарушая при этом синхронную частоту вра­щения.

При идеальной синхронизации угол 0(кю) равен нулю. Для того чтобы заставить машину (генератор) отдавать энергию в сеть, надо увеличить вращающий момент со стороны первич­ного двигателя. Это приведет к увеличению угла 0(кю) между полем ротора и суммарным магнитным полем машины и к нарушению взаимной компенсации Е_г и Uc. В результате по­явится уравнительный ток, магнитный поток которого по правилу Ленца будет препятствовать вращению ротора. Дру­гими словами, магнитный поток уравнительного тока будет создавать противодействующий момент, на преодоление ко­торого потребуется дополнительное увеличение вращатель­ного момента первичного двигателя. В этом случае вращаю­щееся магнитное поле ротора будет вести за собой поле ста­тора, а электромагнитные силы играют роль упругой связи между двумя полями. Генератор начнет отдавать энергию в сеть. Максимум отдаваемой генератором мощности будет при значении угла 0(кю), равном 90°.

Если же величину вращающего момента со стороны пер­вичного двигателя уменьшать, то угол 0(кю) начнет уменьшаться, и при полном отключении первичного двигателя ротор вме­сте со своим магнитным полем несколько отстанет от вра­щающегося поля статора (угол 0(кю) станет отрицательным). Вра­щающееся поле статора поведет за собой ротор, являющийся электромагнитом. Синхронная машина превращается в син­хронный двигатель, в котором и поле статора и поле ротора (ротор) будут вращаться с одинаковой скоростью, т.е. синх­ронно. По мере увеличения нагрузки на валу такого двига­теля угол 0(кю) будет увеличиваться по модулю, оставаясь отри­цательным. Это также приведет к увеличению тока в цепи двигателя и, следовательно, к увеличению потребляемой из сети электрической мощности. В отличие от асинхронного двигателя, в котором увеличение нагрузки на валу приводит к уменьшению скорости вращения ротора, в синхронном дви­гателе увеличение механической нагрузки приводит к уве­личению угла 0(кю) между полюсами вращающихся полей ста­тора и ротора при сохранении скорости вращения ротора.

Ротор синхронного двигателя будет продолжать синхрон­ное вращение до тех пор, пока он будет за полпериода пере­менного тока успевать поворачиваться своими полюсами к следующим проводникам обмотки статора с таким же на­правлением тока, как и в тех проводниках, против которых он находится в данный момент. Другими словами, ротор дви­гателя должен вращаться с такой же скоростью, что и поле статора, проходя полюс за полпериода переменного тока (раз­ность скоростей поля и ротора может составлять не более 2­5 %), при этом на него будет действовать вращающий мо­мент одного и того же направления. При слишком большой механической нагрузке ротор двигателя выпадает из син­хронизма и двигатель останавливается.

30. Асинхронный пуск и остановка синх­ронного двигателя. К.П.Д. синхронного двигателя.

Синхронный двигатель не может быть запущен простым включением в сеть, поскольку его вращающий момент при пуске равен нулю. Это можно объяснить следующим обра­зом. Пусть в момент включения двигателя направление пи­тающего тока в обмотках статора соответствует рис. 9.6, а. В этот момент на неподвижный ротор будет действовать пара сил F, стремящихся повернуть его по часовой стрелке. Че­рез полпериода направление тока в обмотках статора изме­нится на противоположное (рис. 9.6, б). Так как ротор в силу своей инерции за это очень короткое время практичес­ки остается на месте, то на него теперь будет действовать

а

б

Рис. 9.6

такая же пара сил F₁, стремящаяся повернуть ротор в обрат­ную сторону. Таким образом, при непосредственном вклю­чении синхронного двигателя в сеть его ротор не сдвинется с места. Как уже говорилось в предыдущем разделе, за полпе­риода переменного тока ротор должен повернуться к следу­ющему полюсу статора (при одной паре полюсов обмотки статора — на пол-оборота), и, следовательно, для этого его надо тем или иным способом разогнать до скорости вращения, близкой к синхронной. Таким образом, характерной особен­ностью синхронного двигателя является необходимость пред­варительного разгона ротора.

В прошлом для раскручивания ненагруженного синхрон­ного двигателя применялся специальный разгонный асинх­ронный двигатель небольшой мощности. Сначала ротор раз­гонялся до скорости, близкой к синхронной, потом включа­лась обмотка возбуждения, а затем обмотки статора вклю­чались в сеть и синхронный двигатель синхронизировался с сетью как генератор при включении на параллельную ра­боту.

В настоящее время синхронные двигатели запускают с помощью асинхронного пуска. Для этого применяется спе­циальная конструкция ротора. В полюсных наконечниках ротора укладываются металлические стержни, соединенные с боков кольцами. Получается дополнительная (пусковая) об­мотка, подобная «беличьему колесу» асинхронного двигате­ля. При пуске такого двигателя обмотку возбуждения зако­рачивают через активное сопротивление, превышающее ак­тивное сопротивление обмотки возбуждения в 10-15 раз, а обмотку статора включают в сеть (в случае двигателей боль­шой мощности через пусковой автотрансформатор или через индуктивные сопротивления). При этом ротор начинает раз­гоняться так же, как и ротор асинхронного двигателя. После того, как он достигнет наибольшей возможной скорости вра­щения (примерно 95 % синхронной), обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Двигатель авто­матически входит в синхронизм, а дополнительная обмотка в полюсных наконечниках как бы автоматически отключа­ется, поскольку при синхронной скорости вращения поля и ротора ЭДС в ней равна нулю. Для получения большого пус­кового момента пусковую обмотку (стержни в полюсных на­конечниках) изготовляют с большим активным сопротивле­нием. Закорачивание обмотки возбуждения при асинхрон­ном пуске синхронного двигателя необходимо потому, что вращающееся поле может индуцировать в разомкнутой об­мотке возбуждения значительную ЭДС, которая может про­бить ее изоляцию. Нельзя также замыкать обмотку возбуж­дения накоротко, так как в ней возникает значительный од­нофазный ток, который будет тормозить ротор по достиже­нии им половины синхронной скорости вращения.

Для остановки синхронного двигателя сначала уменьша­ют ток возбуждения до значения, соответствующего мини­мальному току обмоток статора, затем отключают статор и лишь после этого размыкают цепь возбуждения. Несоблюде­ние такого порядка (например, отключение обмотки возбуж­дения раньше отключения обмоток статора) приведет к чрез­мерному увеличению тока в обмотке статора и к опасным для целости изоляции перенапряжениям в разомкнутой об­мотке возбуждения.

Достоинством синхронного двигателя является строго по­стоянная скорость вращения, а недостатком - необходимость применения вспомогательных автоматических устройств для пуска и остановки двигателя.

 

^ 2ном 2 Рис. 9.7

Рабочими характеристиками синхронного двигателя явля­ются зависимости потребляемой мощности Р1, потребляемого тока I1,вращающего момента М, соs фи и к.п.д. от полезной мощности нагрузки Р2. Они изображены на рис. 9.7 и соот­ветствуют случаю, когда на холостом ходу соs фи = 1.

При постоянном токе возбуждения увеличение нагрузки на валу двигателя вызывает уменьшение соs фи, что объясня­ется увеличением реактивного падения напряжения при возрастании потребляемого от сети тока I1 Коэффициент полезного действия k с увеличением нагрузки быстро увели­чивается и достигает максимума, когда не зависящие от на­грузки механические потери и потери в стали становятся равными зависящим от нагрузки потерям в меди обмоток.

Дальнейшее увеличение нагрузки снижает к.п.д. Потреб­ляемый статором ток I₁ на холостом ходу мал и при соs фи = 1. При увеличении нагрузки ток I1 возрастает практически про­порционально нагрузке. Вращающий момент М, развиваемый двигателем, на холостом ходу мал, поскольку механические потери невелики. При увеличении нагрузки, благодаря посто­янству скорости вращения синхронного двигателя, вращаю­щий момент возрастает почти линейно. Потребляемая двига­телем мощность Р1 растет быстрее, чем полезная Р₂, так как при увеличении нагрузки сказывается увеличение электри­ческих потерь в двигателе, которые пропорциональны квадра­ту тока.

К. п д. синхронных машин определяют: к=Р2/Р1, где Р2,Р1- полезная и потребляемая мощность. Т.е. так же, как для машин постоянного тока.

К п. д. синхронных машин небольшой мощности составляет 85—90%, а мощных - до 99%