Тема 3.5. Синхронный электродвигатель

Электрические схемы и устройство синхронных двигателей аналогичны схемам и устройству синхронных генераторов. Электромагнитные процессы, протекающие в генераторах и двигателях, также аналогичны. Однако двигатель отличается от генератора тем, что он всегда потребляет из сети активную составляющую тока и активную мощность (реактивную может потреблять и отдавать в зависимости от степени возбуждения) и развивает на валу момент для вращения механизма.

Обмотку статора синхронного двигателя нельзя подключать на напряжение сети при неподвижном роторе, так как поле обмотки статора практически мгновенно достигает синхронной частоты вращения, которая определяется формулой

где f₁ — частота тока сети; р — число пар полюсов ротора двигателя. Поле обмотки статора не сцепляется с полем ротора, и ротор остается неподвижным. Ток в обмотке статора будет равнозначен току короткого замыкания, под действием которого обмотка быстро перегреется. После пуска синхронный двигатель вращается с постоянной частотой независимо от значения тормозного момента (полезной мощности) на его валу, т. е. синхронный двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику (никакие другие двигатели постоянного и переменного тока этого не обеспечивают).

Перевозбужденный синхронный двигатель является источником реактивной мощности. Это значит, что использование синхронного двигателя дает возможность повысить коэффициент мощности в электросистеме. Такой двигатель называется синхронный компенсатор.

Потребляемая двигателем мощность Р₁ при пренебрежении потерями в статоре равна электромагнитной мощности при отрицательных ее значениях. Вращающий момент двигателя равен электромагнитному моменту, но также при отрицательных его значениях.

Рис.3.12. Рабочие характеристики синхронного двигателя.

На рис.3.12 представлены рабочие характеристики синхронного двигателя п, Мвр, I и cos φ = f (Р₂) при U, f и i_в = const. Скоростная характеристика двигателя п = f (Р₂) представляет собой горизонтальную прямую. Механическая характеристика Мвр = f (P₂) представляет собой наклонную прямую, так как значение момента пропорционально мощности на валу двигателя. Характеристика коэффициента мощности имеет нелинейный вид, так как значение коэффициента зависит от многих параметров. Значение коэффициента мощности при холостом ходе двигателя определяется степенью его возбуждения. Токовая характеристика I = f (Р₂) представляет собой возрастающую кривую, так как

где cos φ и η зависят от Р₂.

Регулирование частоты вращения синхронного двигателя возможно только изменением частоты в автономных системах генератор—двигатель или преобразователь — двигатель. При этом может быть осуществлено как плавное, так и ступенчатое регулирование частоты вращения вниз от номинальной.

Пуск в ход синхронного двигателя можно осуществлять подобно синхронному генератору. При этом ротор двигателя разгоняется до синхронной частоты, например двигателем постоянного тока. Затем производится точная или грубая синхронизация синхронного двигателя с сетью.

После чего двигатель постоянного тока (в таком случае его называют вспомогательным) отключается от питающей сети, а синхронный двигатель нагружается механизмом, с которым сочленен второй конец вала ротора. В качестве вспомогательного двигателя можно использовать и асинхронный двигатель. Частота вращения такого двигателя всегда меньше синхронной. В этом случае синхронный двигатель включается на сеть с замкнутой обмоткой на сопротивление, а затем включается возбуждение. Данный способ пуска синхронных двигателей является дорогим и сложным, так как для его осуществления требуется вспомогательный двигатель, питающая сеть, много приборов и аппаратов.

Относительно просто осуществляется так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя, если он имеет на роторе пусковую короткозамкнутую обмотку, выполненную по типу обмотки ротора асинхронного двигателя. Магнитный поток обмотки статора такого синхронного двигателя после подключения ее к сети индуцирует в проводах короткозамкнутой обмотки ротора ЭДС и токи, которые создают момент, обеспечивающий трогание и разгон ротора двигателя до частоты вращения, близкой к синхронной. Основная обмотка ротора (обмотка возбуждения) при этом находится в замкнутом состоянии на активное сопротивление. Затем обмотка возбуждения размыкается и подключается на напряжение возбудителя. В результате ротор двигателя втягивается в синхронную работу с магнитным полем статора.

В системах Г—Д или П—Д разгон синхронного двигателя осуществляется одновременно с повышением частоты источника до номинального значения.