20. Устройство, принцип действия, область применения и основные характеристики синхронных двигателей

Синхронными называются электрические машины переменного тока, у которых частота вращения ротора находится в строго постоянном соотношении с частотой электрической сети, к которой они подключены (слово “синхронный” понимается как “одновременный”).

Синхронные машины, как и все электрические машины, могут работать в режиме генератора и режиме двигателя, т. е. они обратимы.

В настоящее время большинство электрических станций оснащено трехфазными синхронными генераторами, которые являются основными источниками электроэнергии. Синхронные генераторы приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами, а в некоторых случаях – двигателями внутреннего сгорания. Мощность современных синхронных генераторов достигает 1500 MB-А; проектируются энергоблоки и большей мощности. Мощные синхронные генераторы в большинстве случаев работают совместно (параллельно) друг с другом, и вырабатываемая ими энергия поступает в общую электрическую сеть. Кроме того, синхронные генераторы служат источниками автономного питания на транспорте, в летательных аппаратах и на передвижных электростанциях.

Синхронные двигатели применяются там, где требуется постоянная частота вращения. Мощные синхронные двигатели устанавливаются на металлургических заводах, шахтах, холодильниках, на компрессорных и нефтеперекачивающих станциях магистральных трубопроводов, где они приводят во вращение прокатные станы, насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п. Специальные синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели) широко используются в системах управления и приборных системах: электрочасах, автоматических самопишущих приборах, устройствах программирования, системах звуко- и видеозаписи и др.

Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их способность работать при токе, опережающем по фазе питающее напряжение. Это свойство используется для увеличения коэффициента мощности (cosφ) в сети.

Специальные синхронные двигатели, предназначенные для увеличения коэффициента мощности, называются синхронными компенсаторами. Они устанавливаются на крупных промышленных предприятиях и подстанциях.

Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора. Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой nо магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС e=Blv, где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; v– линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

Выше отмечалось, что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону B = Bm*sin(a), где a- угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике e = Bm*l*v*sin(a) = Bm*l*v*sin(wt).

Обозначив Bm*l*v=Em, получим e= Em*sin(wt), т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя.

Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой ). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления Mc=0) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы F1 и F2, которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления Mc, ось ротора и его полюсов So, No сместится в сторону отставания на угол θ (рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие Ft и Ft создают вращающий момент M=2*Ft*R, где R- радиус ротора.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент M=Mc преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол θ увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя M=2*Ft*R =2*F*R*sin(θ) , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной n0.

Угловая и механическая характеристики. Зависимость момента синхронной машины от угла нагрузки при Uc = const называется угловой характеристикой машины. Угловая характеристика (рис. 4.15) в соответствии с (4.5) имеет вид синусоиды. В двигательном режиме угол положительный, поэтому на графике двигательному режиму соответствует положительная полуволна синусоиды. В генераторном режиме угол отрицательный, ему соответствует отрицательная полуволна синусоиды. В диапазоне угла нагрузки -90°<<+90° (ветвь синусоиды показана сплошной линией) работа машины, как в двигательном, так и в генераторном режиме устойчива, а на участках кривой, изображённых штриховой линией, – неустойчива.

Механической характеристикой синхронного двигателя называется зависимость частоты вращения от момента двигателя. В синхронном двигателе частота вращения ротора постоянна и от нагрузки не зависит. Поэтому механическая характеристика n(M) (рис. 4.18) – прямая, параллельная оси абсцисс.

U – образные характеристики. Зависимости I(Iв) при Uc = const и Р= const называются U – образными характеристиками. На рис. 4.18 изображены три такие характеристики для случаев Р=0 (режим холостого хода), некоторой мощности P1>0 P2> P1. Минимум тока на характеристиках соответствует активному току, потребляемому двигателем , левые ветви – перевозбуждённому двигателю и ёмкостному току.

При уменьшении тока возбуждения Iв уменьшается ЭДС Е0 и угол увеличивается (рис.4.17).

Штриховая кривая АВ на рис. 4.18 представляет собой границу устойчивости, на которой =90°.

Наиболее экономичным для самого синхронного двигателя является режим работы с , так как двигатель развивает заданную механическую мощность при наименьшем, чисто активном токе статора.