28. Устройство и принцип действия синхронного двигателя. Пуск двигателя. Вращающий момент, угловые характеристики. Регулирование коэффициента мощности.

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Обращённая конструкция двигателей - якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей "раскачивание" ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.

Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Частота вращения ротора [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети [Гц] соотношением:

,

где — число пар полюсов ротора.

У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.

P_мех≈P_эм=(3E₀U_csinΘ)/(X_син)=P_msinΘ,

M=P_мех/ω=(3E₀U_csinΘ)/(ωX_син)=M_msinΘ, где Θ – угол согласования,

M=(3U_cE₀sinΘ)/(ωX_син)=const => E₀sinΘ=const .

Q1=Qc=3UcI3sinφ3<0 – реактивная (емкостная) мощность,

Q1=QL=3UcI1sinφ1>0 – реактивная (индуктивная) мощность.

При постоянном напряжении питания U₁ независимо от ве­личины E₀ постоянной будет активная составляющая тока статора 1_1а = I₁ cos φ = const, а также проекция вектора противо-ЭДС E ₀ на ось орто­гональную вектору напряжения E₀ sin О = const.

При малой величине тока возбуждения (недовозбуждение) угол нагрузки 0' большой и ток статора отстаёт по фазе от напряжения (φ' > 0), а двигатель потребляет из сети индуктивный ток. В режиме перевозбуждения величина ЭДС большая, что вызывает смещение вектора тока статора I" ₁ во второй квадрант (φ " < 0). При этом двигатель потребляет ёмкостный ток или, что то же самое, отдаёт в сеть индуктивный ток, т.е. является источником индук­тивного тока и может компенсировать его потребление другими двигателями и установками, подключёнными к той же сети. Тем самым улучшается коэф­фициент мощности сети и снижается нагрузка на линии передачи электро­энергии, т.к. необходимую реактивную мощность её потребители получают от локального источника.

Взаимосвязь токов возбуждения и статора физически объясняется тем, что результирующий магнитный поток в машине, создаваемый МДС обмоток возбуждения и статора, при постоянном напряжении и частоте питания оста­ётся практически постоянным. Постоянной должна быть и результирующая МДС, создающая этот поток. Поэтому, если МДС обмотки возбуждения не­достаточна, то это компенсируется МДС обмотки статора, т.е. потреблением индуктивного тока.

Зависимость величины тока статора от тока возбуждения I₁ = f (1_в) при

номинальном напряжении питания и постоянной мощности по внешнему сходству называется U-образной характеристикой. Её минимум определяется мощностью нагрузки на валу двигателя, при которой построена характери­стика, и соответствует чисто активному току статора.

Для регулирования реактивной мощности используют специальные двигатели, которые работают на холостом ходу и загружены практически только реак­тивным током. Они называются синхронными компенсаторами и имеют об­легчённую конструкцию, поскольку эксплуатируются без механической на­грузки. Как правило, синхронные компенсаторы работают в режиме перевоз­буждения.