Синхронный двигатель и синхронный компенсатор

Глава. 22.

§22.1. Принцип действия синхронного двигателя

В соответствии с принципом обратимости элек­трических машин синхронная машина может рабо­тать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Для объяснения принципа работы синхронного двигателя представим себе синхронный генератор, включенный на параллельную работу в сеть боль­шой мощности.

Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоро­стью . При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора  смещена отно­сительно оси вращающегося поля  на угол  в направлении вращения ротора (рис. 22.1, справа). Вращающий момент приводного двигателя  уравновешивается суммой электромагнитного мо­мента генератора М' и момента х.х. М₀ ( ).На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.

Если уменьшать вращающий момент , то на­грузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол , а следовательно, и ток статора ). В итоге снизится величина электро­магнитного момента М' и при вращающем моменте  угол , т. е. генератор будет работать в режиме х. х. (  = 0) и ЭДС генератора Е₀ окажется в противофазе с напряжением сети . Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пе­ресечения осей координат (точка О на рис. 22.1). Ес­ли же вал синхронной машины отсоединить от при­водного двигателя и создать на этом валу тор­мозной момент, т.е. момент нагрузки М₂, на­правленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС  на угол —  относительно его положения в режиме х. х. в сторону отставания (рис. 22.1, слева). При этом в цепи обмотки ста­тора появится результирующая ЭДС , которая соз­даст в обмотке статора ток ,  отстающий по фазе от ЭДС  на угол 90° (предполагается ) и отстающий по фазе от напряже­ния сети _е на угол   (в генераторном режиме ток , отстает по фазе от ЭДС Е₀ на угол ).

Рис. 22.1. Переход синхронной машины из генераторного режима в

двигательный

                         Рис. 22.2. Угловая характеристика син­хронного двигателя

Ток  создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором, ось которого  смещена относительно продольной оси полюсов ротора  на угол — . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рис. слева), что соответствует углу — . Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов  создадут на роторе двигателя электромаг­нитный момент М", направленный согласно с вращающим магнитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой . При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент М" преодолевает момент х. х.  и создает на валу двигателя полезный момент , под действием которого приводится во вращение исполнительный механизм:

Все значения момента на угловой характеристике синхронно­го двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генератор­ного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генераторном режиме. Оперирование с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудобно, поэтому при рассмотрении синхронных двигателей условно будем принимать моменты и мощности положительными, помня при этом изложенное ранее о направлении этих параметров.

Электромагнитная мощность синхронного двигателя опре­деляется выражениями (2 1 .7) и (2 1 .8), а электромагнитный момент - (2 1.9) и (2 1.10).

Угловые характеристики электромагнитного момента  и его составляющих  и  представлены на рис. 22.2. Эти характеристики отличаются от угловых характери­стик генератора (см. рис. 21.5) лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т. е. определяются отрицатель­ными значениями углов  и моментов  и  а также момента  при .

Таким образом, в общем  виде угловая характеристика син­хронной машины представляет собой две полуволны результи­рующего момента М: положительную, соответствующую генера­торному режиму работы (см. рис. 21.5), и отрицательную, соответствующую двигательному режиму работы (рис. 22.2). Переход машины из одного режима работы в другой происходит при .

Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики (рис. 22.2) при .

Отношение максимального электромагнитного момента  к номинальному  [см. (21.16)] определяет перегрузочную спо­собность синхронного двигателя

.

Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей , что при номинальной нагрузке двигателя соответствует  эл. град.

Ротор синхронного двигателя может вращаться только с син­хронной частотой . Чтобы убедиться в этом, достаточ­но предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с часто­той . В какой-то момент времени намагниченные полюсы ротора расположатся против одноименных полюсов вращающего­ся магнитного поля статора и тогда нарушится магнитная связь между намагниченными полюсами ротора и полюсами вращающе­гося поля статора, так как их одноименные полюсы будут взаимно отталкиваться и ротор, перестав испытывать устойчивое действие вращающего электромагнитного момента, остановится.

Вращение ротора синхронных двигателей только с синхрон­ной частотой составляет характерную особенность этих двигате­лей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).

При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя ме­няется угол . При этом ротор вследствие инерции вращающихся масс агрегата не сразу занимает положения, соответствующие новой нагрузке, а некоторое время совершает колебательные дви­жения. Таким образом, в синхронном двигателе, так же как и в генераторе, имеют место колебания (физическая сущность этого явления изложена в § 21.4).

По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некото­рые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с  полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучше­нию ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пускового тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она является пусковой обмоткой (см. § 22.2); ширина полюсного наконечника достигает  вместо  в генераторах. Поэтому, несмотря на свойство обратимости, синхронные машины, вы­пускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение — либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.

Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотке синхрон­ного генератора (см. рис. 21.8). Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рис. 22.3, а. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи .

                              Рис. 22.3. Асинхронный пуск синхронного двигателя

Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил . Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 22.3, б). После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной , обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Обра­зующийся при этом синхронный момент [см. (21.10)] втягиваем ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка дви­гателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора (см. § 21.4).

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождение в синхронизм. Явнополюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение дви­гателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается и синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм . Величина асинхронного момента  при частоте вращения  зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивле­ния металла, из которого они изготовлены (см. рис. 13. ).

Следует обратить внимание, что выбор сопротивления пуско­вой клетки , соответствующего значительному пусковому моменту , способствует уменьшению момента входа в синхронизм  и, наоборот, при сопротивлении , соответствующем небольшому пусковому моменту ( ), момент входа в синхронизм увеличивается  (рис. 22.4).        

Рис. 22.4. Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя:

, — основной момент;

 — дополнительный момент,

 — момент входа в синхронизм

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекаю­щий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости изоляции са­мой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для предотвра­щения этого обмотку возбуждения на период разгона ротора замыкают на активное сопротивление , примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуждения. Переключение зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с сопротивления  на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П (см. рис. 22.3, а).

Замыкание накоротко обмотки возбуждения на время пускания двигателя нежелательно, так как при этом обмотка ротора образует однофазный замкнутый контур, взаимодействие которого с вращающимся полем статора также создает дополнительный асинхронный момент . Однако при частоте вращения, равной половине синхронной, этот момент становится тормозящим (рис. 22.4) и создает «провал» в характеристике пускового (асинхронного) момента (пунктирная кривая). Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя.

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряже­ние применяют при достаточной мощности сети, способной вы­держивать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти- или семикратного значения (по сравнению с номиналь­ным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно при­менить пуск двигателя при пониженном напряжении (см. § 15.2): автотрансформаторный или реакторный.