7.2.2 . Принцип действия

Принцип действия синхронного двигателя основан на эффекте притяжения разнополярных магнитных полюсов статора (N,S) и ротора (N_o ,S_o).

Итак магнитное поле статора вращается с частотой n_s (Рис.7.19.). Предположим, что ротор тоже вращается с частотой n_s, против часовой стрелки, т.е. полюса магнитного поля ротора будут вращаться с частотой n_s.

Без нагрузки магнитные оси полей статора и ротора совпадают, силы притяжения F₁ и F₂ будут радиальные и не создают никакого вращающего момента. Если возникает какой-либо момент сопротивления М_н (момент нагрузки, Рис.7.20.) на оси двигателя, то ось магнитного поля ротора поворачивается по часовой стрелке на угол .

Рис.7.19. Рис.7.20.

В этом случае силы F₁ и F₂ имею радиальные и тангенциальные составляющие, причем последние F_t1 и F_t2 создают вращающий момент М_дв и двигатель работает устойчиво при М_н = М_дв.

Можно объяснить принцип действия синхронного двигателя с помощью логической диаграммы (Рис.7.21).

1) Под действием трехфазного напряжения в каждой фазе обмотки статора протекает ток , который создает вращающийся с частотой n_s магнитный поток Ф_1.

2) В обмотке ротора под действием напряжения возбуждения U_в течет ток I_в, который создает поток Ф_в также вращающийся с частотой n_s.

3) Эти потоки наводят ЭДС и , которые складываются .

4) В тоже время потоки Ф₁ и Ф_в складываются образуя рабочий поток Ф_р.

5) Ток взаимодействуя с магнитным потоком Ф_р создает электромагнитные силы (ЭМС) и вращающий момент М_дв, противодействующий моменту нагрузки.

Рис.7.21.

7.2.3. Основные уравнения двигателя

Определим уравнение статора, используя эквивалентную схему и векторную диаграмму (Рис.7.22.-7.24.).

Согласно II закону Кирхгофа (Рис.7.22.), имеем:

Зная, что и пренебрегая активным сопротивлением статора R_s, получим: .

Рис.7.22. Рис.7.23. Рис.7.24.

В этом случае эквивалентная схема представлена на рис.7.23., где X_s называется синхронным сопротивлением. Векторная диаграмма (Рис.7.24.) показывает, что  это смещение оси магнитного поля ротора по отношению к оси поля статора, а угол  это сдвиг по фазе между напряжением и током статора . Определим уравнение вращающего момента синхронного двигателя, исходя из классической формулы механики: P_ДВ = М_ДВ _s.

Пренебрегая потерями мощности можно записать, что P_ДВ = P_эл.

В свою очередь электрическая мощность трехфазного синхронного двигателя будет: P_эл = 3 U₁ I₁ cos.

Воспользуемся геометрическими построениями на рис.10.24., где из треугольников Оса и abc следует ac = E_o sin = I₁ X_s cos.

Отсюда и как результат получим ,

или окончательно .

Если выражение величина постоянная, то формула вращающего момента синусоидальная функция: М_ДВ = М_макс sin.

7.2.4. Характеристики двигателя

Угловая характеристикаМ_ДВ = f() имеет два интервала функционирования (Рис.7.25.): I - интервал стабильной работы, II -интервал нестабильной работы.

Рис.7.25.

Когда угол  меньше 90°, двигатель работает стабильно (т.A), то есть двигатель находится в режиме авторегулирования. Если момент нагрузки увеличивается М_н +М, угол ₁ увеличивается тоже ₁ + . Согласно формуле вращающего момента М_ДВ также увеличится и равновесие установится в точке B. Когда угол  больше 90°, двигатель работает нестабильно (т.D), то есть двигатель теряет синхронизм. Поэтому угол  = 90° называется критическим. Практически величина этого угла находится в пределах от 30° до 40°. Механическая характеристика М=f(n) синхронного двигателя – это прямая линия параллельная оси X (Рис.7.26.). В таком случае частота вращения постоянна и не зависит от нагрузки. Семейство U – образных характеристик наиболее важно для промышленного применения синхронных двигателей (Рис.7.27.).

Этот рис.10.27. показывает, что существует минимальный ток возбуждения I_в.мин для каждой кривой, при котором коэффициент мощности cos=1, и что существуют интервалы недовозбуждения и перевозбуждения. В первом интервале синхронный двигатель работает, имея характер индуктивного сопротивления, а во втором емкостного. Это свойство позволяет использовать синхронный двигатель для коррекции коэффициента мощности в промышленных установках, применяя синхронный компенсатор вместо батареи конденсаторов.

Рис.7.26. Рис.7.27.