Глава VII синхронные двигатели .

§ 7.1. Принцип действия синхронных двигателей

Если у одного из параллельно работающих генераторов отклю­чить первичный двигатель, то ротор генератора будет продолжать вращаться синхронно в силу того, что статор и ротор по-прежнему упруго связаны между собой магнитными силовыми линиями вра­щающегося поля. В этом случае в машину будет поступать из сети электрическая мощность и преобразовываться в механическую, т. е. синхронная машина станет работать в режиме двигателя. От­сюда следует, что синхронные машины обладают свойством обрати­мости.

При работе машины в режиме двигателя ось потока статора опе­режает ось потока ротора на угол , соответственно, и вектор на­пряжения сети U_C опережает вектор э. д. с. E₀ на угол .

Для уяснения процесса передачи мощности в синхронной ма­шине рассмотрим на схеме (рис. 7.1) взаимодействие маг­нитных полей статора и рото­ра.

На рис71а дана магнитная схема генератора, у которого магнитное поле ротора несколько опережает магнитное поле статора и между осями потоков статора и ротора образуется положительный угол

При холостом ходе синхрон­ной машины оси обоих потоков совмещены и угол =0 (рис. 7.1, б). При работе синхронной машины в двигательном режиме ведущим становится поток ста­тора, а ведомым — поток ротора, ось которого начинает отставать от оси потока статора на отри­цательный угол (рис. 7.1, в). С увеличением нагрузки на ва­лу машины увеличивается тор­мозной момент и соответственно угол . Одновременно растет развиваемая двигателем меха­ническая мощность и потреб­ляемая из сети электрическая мощность.

Для синхронного двигателя под электромагнитной мощностью понимают мощность, передаваемую вращающимся полем от статора к ротору. Эта мощность преобразуется в механическую, развивае­мую ротором. При этом, однако, полезная мощность на валу дви­гателя меньше электромагнитной на величину потерь — механичес­ких, добавочных, в, стали и на возбуждение.

Основная диаграмма э. д. с. синхронного двигателя аналогична основной диаграмме э. д. с. синхронного генератора. Однако в дан­ном случае на диаграмме строится вектор напряжения сети U_C,

приложенного к зажимам машины, а не вектор напряжения U, раз­виваемого на зажимах генератора.

У равнение электромагнитной мощности Р_ЭМ синхронного дви­гателя такое же, как и для генератора, с той разницей, что уголсчитается отрицательным. Ма­шина в данном случае не отдает энергию в сеть, а потребляет ее из сети. Электромагнитный мо­мент двигателя прямо пропор­ционален электромагнитной мощности Р_ЭМ и является вра­щающим моментом, уравнове­шивающим тормозящий момент на валу.

Удельная синхронизирую­щая мощность Р_СХ двигателя, так же как и у генератора, определяется производной от электромагнитной мощности по углу . На рис. 7.2 показаны графики зависимости

М_ЭМ =f() и М_CX =f(). Устойчивой работе двигателя соответствует участок кривой в зоне угла от 0 до, так как в указанных пределах удельный синхронизирующий момент сохраняет свое положительное значение, и увеличение мо­мента сопротивления на валу двигателя сопровождается увеличе­нием развиваемого машиной вращающего момента.

§ 7.2. Влияние величины тока возбуждения на работу синхронных двигателей

При постоянной нагрузке на валу синхронного двигателя (Р=3UI =const) с изменением возбуждения двигателя будет изменяться величина э. д. с, наводимой в обмотке статора (рис. 7.3). При этом концы векторов э. д. с. E₀₁ ,E₀₂ и E₀₃ будут перемещаться по прямой АА, а концы векторов тока — по прямой ББ так, как это было уже показано на рис. 6.32 для генератора.

Когда э. д. с. машины определяется вектором E₀₂, вектор тока I₀₂,сдвинутый относительно вектора э.д.с. на 90 , сов­падает по фазе с вектором напряжения (угол ⁼0) и ток имеет наименьшую величину. При увеличении тока возбуж­дения, а следовательно, и э.д.с. до величины E₀₁ (E₀₁>Е₀₂) вектор тока I₀₁, опережает вектор напряжения U_C на некоторый угол , зависящий от величины э. д. с, т. е. образуется отрицательный угол сдвига фаз. Двигатель в этом случае является емкостной нагрузкой и будет отдавать в сеть излишнюю индуктивную мощность, которая может быть использована для намагничивания потребите­лей индуктивной мощности.

Такой режим работы двигателя называется перевозбужденным.

При уменьшении тока возбуждения двигателя его э. д. с. так­же уменьшается (E₀₃<E₀₂) и между вектором тока I₀₃ и вектором напряжения U_C создается положительный сдвиг фаз на угол , вектор напряжения U_C опережает вектор тока I₀₃. Двигатель потребляет из сети индуктивную нагрузку, и его режим является недовозбужденным.

Рис. 7.3. Угловые ха­рактеристики синхрон­ных машин

Таким образом, воздействуя на величину возбуждения двига­теля, можно менять угол сдвига фаз между его векторами тока и напряжения. Двигатель может работать не только с коэффициен­том мощности, равным единице (), но и отдавать в сеть реактивную индуктивную мощность, способствуя этим повышению общего коэффициента мощности сети.

Для каждой нагрузки синхронного двигателя можно получить расчетным или опытным путем зависимости величины потребляе­мого тока I от тока возбуждения I_B (рис. 7.4). Эти зависимости на­зываются U-образными кривыми. Ток I_BH соответствует работе дви­гателя при коэффициенте мощности .

Левые ветви характеристик соответствуют индуктивному току (ф>0), а правые ветви — емкостному току (ф<0). Синхронные дви­гатели, работающие с перевозбуждением, используются для по­вышения коэффициента мощности электрических установок и называются синхронными компенсаторами.