Устройство и принцип действия трехфазного синхронного двигателя (СД), пуск и область применения. Электромагнитный момент СД и угловыехар-ки.

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз. Наибольшее распространение в синхронных машинах нашли трехфазные обмотки якоря.

рис 3.2

Обмотка статора подключается к трехфазной сети переменного тока с частотой f и обмотка создает магнитное поле ω1, вращающееся с угловой скоростью ω1=2πf/РМ (рис.3.2, а). Индуктор создает постоянный поток возбуждения Ф0. При вращении ротора с постоянной скоростью ω2=ω1 поля статора и ротора неподвижны друг относительно друга и в результате их взаимодействия создается электромагнитный момент Mэм. Если ротор отстает по углу от поля статора, то момент направлен в сторону вращения ротора (является вращающим) и с вала двигателя снимается механическая энергия.

Более наглядно процесс возникновения электромагнитного момента можно рассмотреть на статической модели (рис.3.2, б, в), в которой статор и ротор заменены неподвижными постоянными магнитами. В положении, изображенном на рис.3.2,б, угол между полями статора и ротоpa равен нулю, силы притяжения разноименных полюсов статора и ротора Fэм не имеют тангенциальной составляющей и Mэм=0. Ротор находится в положении устойчивого равновесия. Повернем ротор относительно полюсов статора на угол γ (рис. 3.2, в). У сил притяжения Fэм появляются тангенциальные составляющие Ft ,и создается момент Мэм, стремящийся вернуть ротор в исходное положение. Нетрудно заметить, что максимальное значение момента будет при γ = 90°. При γ= 180° момент Мэм снова равен нулю, но это положение неустойчивого равновесия ротора, т.к. между одноименными полюсами статора и ротора действуют силы отталкивания. Достаточно малейшего отклонения угла γ от 180° и эти силы вернут ротор в положение γ = 0 (понятия положений устойчивого и неустойчивого положений ротора соответствуют аналогичным понятиям у обычного физического маятника).

Следовательно, в первом приближении можно считать, что в синхронном двигателе с электромагнитным возбуждением электромагнитный момент изменяется по закону Мэм=Ммaxsin γ. Этот момент Мэм часто называют синхронизирующим. При числе пар полюсов рм> I вместо угла γ должен быть взят электрический угол γэ= рм γ. В соответствии с уравнением равновесия моментов в установившемся режиме Мэм= Мст= М0+Мн. Значит, чем больше момент нагрузки Мн на валу двигателя, тем на больший угол отстает ротор от поля статора. Значение момента сопротивления Мст не должно превышать Ммax, т.к. в противном случае равновесие моментов не устанавливается при любых значенияхγ в диапазоне от 0° до 360° и ротор выходит из синхронизма – начинает отставать от поля статора по угловой скорости. Поэтому Ммax называют моментом выхода из синхронизма. Практически рабочий диапазон моментов выбирается таким образом, чтобы γ не превышал 20° –30°.

Пуск синхронных двигателей.

У синхронных двигателей без пусковой обмотки среднее значение пускового момента, развиваемого двигателем, равно нулю. Объясняется это тем, что при ω2≠ω1 угол γ=(ω1-ω2)рмt, т.е. при ω2=0 изменяется во времени с частотой ω=2πf. С этой частотой изменяется и мгновенное значение электромагнитного момента, направление момента дважды изменяется за период оборота поля статора. Ротор, обладающий значительным моментом инерции, за полпериода не может успеть разогнаться до синхронной скорости: под действием пульсирующего момента он вибрирует в положении устойчивого равновесия и во вращение не приходит. Поэтому для пуска синхронных двигателей применяются специальные способы, наиболее распространенным из которых является асинхронный способ пуска (рис.3.З, а).

Рис. 3.3

Для реализации этого способа на роторе двигателя, как уже отмечалось, располагается короткозамкнутая пусковая обмотка П. В начальный период пуска (переключатель Пер в положении 1) обмотка возбуждения В ротора отключена от источника и замкнута на сопротивление с целью снятия перенапряжении и создания дополнительного пускового момента. Двигатель работает как обычный асинхронный двигатель, и под действием асинхронного пускового момента ротор начинает разгоняться (рис.3.3, б). При достижении угловой скорости ω2≈0.95ω1 переключатель переводится в положение II. Появляется поток возбуждения индуктора, и создается синхронный электромагнитный момент. Частота пульсаций этого момента (ω1-ω2)рм близка к собственной частоте ротора, ротор начинает раскачиваться и в процессе качаний входит в синхронизм. Наибольший момент сопротивления, при котором ротор еще втягивается в синхронизм, называется моментом входа. Реверсирование двигателя осуществляется изменением направления вращения магнитного поля.