СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети по соотношению n2 = n1 = 6Ofl/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

а) к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности;

б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения);

в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки синхронных двигателей:

а) сложность конструкции;

б) сравнительная сложность пуска в ход;

в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда важно иметь уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Метод асинхронного пуска. В настоящее время чаще всего применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током Iп в пусковой обмотке, создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Рис. 10-8. Зависимость электромагнитного момента от скольжения при асинхронном пуске синхронного двигателя

В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Ев может достигать весьма большого значения и вызвать пробой изоляции.

Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта — влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Одноосный эффект. При асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуцируется ЭДС с частотой f2 =f1s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Фпр и ФoбР.Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора np=±60f2/p=±60flslp=±nls.

Прямое поле вращается синхронно с полем статора nр.пр — n1; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент Мпр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис.10-8, кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой пр.о6р = п1 (1 — 2s).

При частотах вращения ротора n2<0,5nl, т. е. при s>0,5, обратное поле перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при п2 = 0,5п1 это поле неподвижно относительно статора; при n2>0,5 (т. е. при s<0,5) оно перемещается в ту же сторону, что и ротор.

В обмотке статора обратным полем индуцируется ЭДС с частотой f1(1 —2л), для которого обмотка статора является короткозамкнутой. При этом по обмотке статора проходит соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент Мобр. Так как направление момента зависит от направления вращения поля nр.oбр относительно статора, то обратный момент является знакопеременным и изменение его направления происходит при s = 0,5 (рис.10-8, кривая 3).

Таким образом, ток, индуцируемый в обмотке возбуждения при пуске двигателя, создает электромагнитный момент, который при частоте вращения, меньшей 0,5n1, является ускоряющим, а при большей частоте вращения — тормозящим. Особенно резко проявляется действие обратного поля при n0,5n1.

Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 7), создает β кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение гасящего сопротивления в цепь обмотки возбуждения на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток, что может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента — не более 50% от номинального, при сравнительно небольшой мощности двигателя.