3.3. Пуск в ход синхронного двигателя

Если обмотку статора синхронного двигателя включить в трехфазную сеть, а на обмотку ротора подать постоянный ток, то ротор не сдвинется с места – из-за инерции ротора его магнитные полюсы не успевают сцепиться с проносящимися над ними полюсами вращающегося магнитного поля статора. Поэтому распространение получил так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления такого пуска на роторе располагается специальная пусковая обмотка, представляющая собой короткозамкнутую обмотку типа беличьей клетки как у ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя. Витки этой обмотки располагаются в полюсах ротора. Пуск синхронного двигателя осуществляется следующим образом. Вначале обмотка постоянного тока ротора (обмотка возбуждения) замыкается на пусковой реостат R_n (рис 21).

Рис. 21 Двигатель синхронный. Схема включения

Затем подается трехфазное напряжение на обмотку статора, по ее фазам начина­ют проходить токи и создается вращающееся магнитное поле статора. Синх­ронный двигатель за счет наличия пусковой обмотки трогается с места и начинает разгоняться как асинхронный двигатель. Когда частота вращения ротора синхронного двигателя достигнет примерно 95 % синхронной частоты вращения поля статора п₀, пусковой реостат R_п отключают, а обмотку возбуждения ротора подключают к источнику постоянного напряжения U_B. По обмотке возбуждения идет постоянный ток, и на роторе образуются магнитные полюсы. Так как в это время частота вращения магнитного поля статора незначительно превышает частоту вращения ротора, то разноименные магнитные полюсы ротора и поля статора притягиваются друг к другу, а одноименные — отталкиваются. В результате ротор получает некоторое ускорение и после нескольких качаний ротора его частота вращения сравнивается с частотой вращения поля статора и далее остается постоянной (говорят, что двигатель втянулся в синхронизм).

3.4. Реакция якоря в синхронной машине

В синхронном генераторе основное магнитное поле и основной магнитный поток Ф создаются обмоткой ротора и если машина работает без нагрузки с отключенной обмоткой статора, то в ней имеется только одно магнитное поле ротора и Ф = Ф₀. Когда генератор работает под нагрузкой, то появляются токи в фазах обмотки статора. Эти токи создают свое магнитное поле статора, которое можно разделить на две составляющие. Магнитный поток одной части поля охватывает проводники фаз обмотки статора, лежащие в пазах сердечника, и замыкается по стали статора и воздушному зазору. На основное магнитное поле этот поток никакого влияния не оказывает и называется потоком рассеяния статора Ф_s,

Магнитные силовые линии второй части поля статора замыкаются по стали статора, воздушному зазору и стали ротора. Естественно, что эта часть магнитного потока, называемого просто потоком статора Ф_я, будет накладываться и взаимодействовать с магнитным потоком поля ротора Ф₀.

Это явление – взаимодействие магнитных полей ротора и статора генератора – называется реакцией якоря. В теории электрических машин обмотка, в которой ЭДС индуцируется основным магнитным потоком, называется обмоткой якоря. Поэтому у синхронного генератора обмотка статора является обмоткой якоря. Вследствие этого результирующее магнитное поле машины оказывается искаженным по сравнению с полем холостого хода.

Реакция якоря синхронного генератора сильно зависит от характера нагрузки, подключаемой к машине. Рассмотрим это явление более подробно на примере отдельного подключения к генератору активной нагрузки, индуктивной нагрузки и емкостной нагрузки. При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС е_A фазы А – X обмотки статора и ее ток I_A совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось m – m₁ магнитного потока ротора Ф₀ перпендикулярна оси n – n₁ катушки фазы А – X. В этом случае ось магнитного потока ротора Ф₀ опережает ось потока статора Ф_я на электрический угол, равный 90° . При этом результирующий магнитный поток машины Ф_рез = Ф₀ + Ф_я ( ось q – q₁)поворачивается относительно оси т – m₁ потока ротора Ф на угол Θ в направлении, противоположном направлению вращения ротора. По индуктивной нагрузке X_L ток в фазе обмотки статора А - X отстает от ЭДС фазы на угол 90° и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора N₀ повернется на 90° по направлению вращения n₀ от оси т – т₁. В этом случае магнитный поток статора Ф_я оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора Ф₀ и размагничивает машину:

Ф_рез = Ф₀ – Ф_я.

При емкостной нагрузке генератора Х_с ток в фазе А – X статора опережает ЭДС фазы на 90° и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора N₀ еще не доходит 90° до оси т – m₁ Магнитный поток статора Ф_я в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора Ф₀ и усиливает намагничивание машины: Ф_рез = Ф₀ + Ф_я.

При работе синхронной машины двигателем и принятом вращении ротора против хода часовой стрелке с частотой потоки в фазах обмотки статора будут иметь противоположное направление, чем в рассмотренном случае с генератором. В этом случае ось q – q₁ результирующего магнитного потока двигателя Ф_рез оказывается повернутой относительно оси т – m₁ магнитного потока ротора Ф₀ на угол Θ, но не против направления вращения ротора, как у генератора, а по направлению вращения.

Реакция якоря синхронной машины, особенно при ее работе генератором, приводит не только к изменению Ф_рез, но и влияет на значения ЭДС фаз обмотки статора, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии.

Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счет увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.