§ 7.3. Рабочие характеристики синхронных двигателей

Синхронные двигатели обладают рядом особенностей, о которых лучше всего судить по их рабочим характеристикам (рис. 7.5). Эти характеристики показывают зависимость I, п, М, М₂, P₁ и от мощности Р₂ при U=const и f=const. Скорость вращения ротора п₂ всегда равна синхронной ско­рости n₂=n₁=f₁60/p и не зависит от нагрузки, поэтому она име­ет вид прямой, параллельной оси абсцисс.

Момент двигателя М=М₀+М₂, где М_о— момент холостого хода, М₂— полезный тормозной момент. Так как M₀=const, а М₂=P₂/изменяется пропорционально полезной мощности Р₂ на валу, то момент М₂ будет выражаться прямой, проходящей через начало координат, а момент М — прямой, расположенной не­сколько выше характеристики М₂.

Кратковременная перегрузочная способность синхронного дви­гателя, так же как и синхронного генератора, зависит от величины угла . При работе двигателя с номинальной нагрузкой и номи­нальным током возбуждения угол обычно не превышает 25-30°.

При этих значениях кратковре­менная перегрузочная способ­ность синхронного двигателя (см. рис. 7.2)

Рис. 7.5. Рабочие характерис­тики синхронного двигателя

Подведенная к двигателю мощ­ность P₁ включает в себя потери (Р₁=P₂+ P_пот).

Поэтому увеличение потребля­емой мощности Р₁ происходит не­сколько в большей мере, чем полез­ной мощности Р₂ и характери­стика Р₁=f(Р₂) имеет некоторую кривизну в сторону оси абсцисс. Ток пропорционален враща­ющему моменту и он будет выра­жаться той же прямой, что и момент М. При изменении нагрузки от 0 до 1/2 P_н кривая к. п. д. быстро возрастает, а затем ее рост пре­кращается, и к. п. д. машины даже понижается.

Изменение зависит от характера возбуждения двигателя. Если обеспечить номинальное постоянное возбуждение машины при ее работе на холостом ходу, при котором =1, то с увели­чением нагрузки получится недовозбужденный режим работы дви­гателя. При этом возникнут реактивные токи, отстающие от напряжения на угол . Наоборот, если установить номинальное постоянное возбуждение двигателя при номинальной нагрузке, то при уменьшении нагрузки двигатель начнет забирать из сети реактивные опережающие токи, а при перегрузке-реактивные отстающие токи. Кривая =f(P₂) дана для некоторого проме­жуточного значения тока возбуждения.

Синхронные двигатели применяются главным образом для при­вода механизмов значительной мощности (свыше 100 кет), требую­щих постоянства числа оборотов.

В судовых условиях они используются в основном на судах тех­нического флота (земснарядах), в электрических приводах компрес­соров, центробежных насосов, лебедок, а также в системах генера­тор-двигатель.

§ 7.4. Пуск синхронных двигателей

Рис. 7.6. Схема пуска синхрон­ного двигателя

Пуск синхронных двигателей осложняется тем, что при включе­нии двигателя в сеть трехфазного переменного тока в обмотке его. статора возникает вращающееся магнитное поле, сразу приобретающее синхронную скорость п₁= 60f/p, в то время как поле полюсов неподвижно. Вследствие этого каждые полпериода перед полюсом ротора проходят то северный, то южный полюса вращающегося поля статора и возникающий в результате взаимодействия полей электромагнитный момент в течение периода дважды меняет свое направление. Ротор остается неподвижным, так как он обладает значительной инерцией и в течение полупериода ему не может быть сообщена синхрон­ная скорость, при которой электромагнитный вращающий момент будет иметь строго оп­ределенное постоянное направ­ление. Поэтому, чтобы осу­ществить пуск синхронного двигателя, необходимо сначала сообщить ему с помощью не­большого постороннего двига­теля скорость вращения, близ­кую к синхронной. Такой спо­соб пуска синхронных двигате­лей, во-первых, требует допол­нительной электрической ма­шины, а, во-вторых, возмо­жен лишь при незначительной нагрузке на валу двигателя.

Внастоящее время чаще все­го применяется так называемый асинхронный пуск синхронных двигателей (рис. 7.6, а), для чегo в пазы полюсных наконечников ротора закладывается специальная л пусковая обмотка в виде стержней, соединенных между собой по торцам так, что образуется короткозамкнутая клетка. При включении двигателя в сеть трехфазного тока в его статорной обмотке создается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутые стержни пусковой обмотки, наводит в ней ток. Магнитное поле пусковой обмотки, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора, создает вращающий момент и быстро развивает скорость, близкую к синхронной. После этого включают питание обмотки возбуждения (от возбудителя В), и двигатель втягивается в синхронизм. Во время разгона обмотка возбуждения двигателя должна быть замкнута на сопротивление R, так как иначе в ней наводилась бы большая э. д. с, опасная для состояния изо­ляции обмотки.

Непосредственный пуск синхронных двигателей возможен лишь при достаточно мощных электрических сетях, так как пусковой ток двигателей равен 5—6-кратной величине номинального тока. Для снижения пускового тока применяют пуск с переключением обмотки статора со звезды на треугольник, что дает снижение линейного тока в 3 раза. Однако чаще пуск синхронных двигателей произ­водят при пониженном напряжении, для чего используется авто­трансформатор или реактор.

Автотрансформаторный пуск (рис. 7.6, б) производится тремя ступенями. Вначале к двигателю подводится напряжение U= =40—60% U_H. Когда двигатель разовьет соответствующее число оборотов, размыкается выключатель В₂ у автотрансформатора, и он используется как реактивная катушка. При этом к двигателю подводится напряжение U=70—80% U_H. Наконец, замыкается выключатель В₁ и к двигателю подается номинальное напряжение U_H а к его обмотке возбуждения — постоянный ток. При автотранс­форматорном пуске пусковой ток в сети (ток первичной обмотки трансформатора) пропорционален квадрату напряжения.

Реактивный пуск синхронных двигателей проще и дешевле, но при нем пусковые токи в сети имеют большую величину.