12.3.2. Асинхронный пуск синхронного двигателя

Этот способ несложен, но сопровождается значительными вспле­сками тока и электромагнитных сил и требует дополнительных мер:

а) на роторе необходима замкнутая многофазная обмотка (или замкнутые контуры), что­бы двигатель смог разгоняться как асинхронный под действием асинхронного электромагнитного момента (от взаимодействия поля и наведенных токов в этой обмотке). Эту обмотку называют пусковой и устраивают как короткозамкнутую беличью клетку: неизолирован­ные медные или латунные стержни располагают в пазах полюсных наконечников и приваривают к медным сегментам, образующим короткозамыкающие кольца;

б) при пуске вращающееся поле наводит в замкнутой цепи об­мотки возбуждения синхронного двигателя однофазный переменный ток, создающий электромагнитный момент, ухудшающий условия пус­ка; оставить же цепь обмотки возбуждения разомкнутой нельзя из-за опас­ности пробоя изоляции этой обмотки значительной наводимой ЭДС, так как обмотка возбуждения имеет большое количество витков и ее потокосцепление изменяется с большой частотой в начале пуска. Выход: обмотку возбуждения замыкают на разрядное сопротивление R_p=(5...12)R_в, где R_в - сопротивление обмотки возбуждения. При этом невелики напряжение на зажимах обмотки возбуждения и переменный ток в этой обмотке.

Итак, предварительно обмотку возбуждения отключают от возбудителя и замыкают на разрядное сопротивление R_p. Далее обмотку статора включают в сеть, и двигатель запускается как асинхронный. Возникающее вращающееся маг­нитное поле статора наводит в электропроводящих контурах ротора ЭДС и токи с частотой f₂=f₁s, где s – скольжение ротора относи­тельно поля. В используемой на стенде синхронной машине имеется два типа электропроводящих контуров на роторе: обмотка возбуждения и контуры, образованные ферромагнитными частями (сер­дечниками полюсов). Пусковая обмотка отсутствует. Обмотка воз­буждения подключена к большому разрядному сопротивлению R_p , поэто­му ее ток и соответствующий электромагнитный момент невелики. Создаётся асинхронный момент в основном от взаимодействия наведённых токов в ферромагнитных частях ротора с вращающимся полем обмотки статора. Под действи­ем этого асинхронного момента ротор разгоняется и скольжение уменьшается. Пока скорость двигателя невелика, сколь­жение s и частота f₂ достаточно большие. Примерно через 3-5 с после включения скорость ротора при­близится к синхронной (n  0,95n₁), s и f₂ уменьшаются. При этом сле­дует сразу же подать возбуждение в синхронный двигатель (переключить SAI5В), чтобы он втянулся в синхронизм. Возникают всплеск тока якоря и дополнительные электромагнитные моменты, под действием которых ротор после ударов и качаний, как правило, втягивается в синхронизм.

Подаваемый ток возбуждения должен обес­печить ЭДС Е  U₁. При подсинхронной скорости разность частот f₁ - f составляет около 5%. Совпадение фаз ЭДС машины и напряжения сети здесь не контролируется вообще, поэтому асинхронный пуск соответствует грубой синхронизации. Наилучшие условия втягивания в синхронизм получаются, если возбуждение подается при n ≥ 0,95n₁ и если момент нагрузки меньше номинального входного мо­мента M_вх. Последний представляет собой электромагнитный момент, развиваемый машиной при асинхронном пуске, когда n = 0,95n₁.

Асинхронный пуск является самым распространенным способом пуска синхронных двигателей.

12.4. V - образные характеристики

V- образные характеристики представляют собой зависимость тока якоря I и коэффициента мощности cos двигателя от тока воз­буждения i_в при постоянных значениях напряжения обмотки якоря U и его частоты f и постоянной отдаваемой механической мощности P₂ . Эти характеристики отражают важную особенность синх­ронных двигателей - возможность регулирования их реактивной мощности и cos.

Рассмотрим V - образные характеристики двигателей на при­мере неявнополюсной машины. Необходимые пояснения даны с помощью упрощенных векторных диаграмм синхронного двигателя, представленных на рис. 12.3.

Если принять потери в обмотке и стали якоря, механические и добавочные потери постоянными, то при P₂= const подводимая к обмотке якоря мощность также постоянна, P₁= mUIcos = const, и, следовательно, активная составляющая тока якоря также неизменна - I_а=Icos =const. Поэтому на векторной диаграмме (рис.12.3) конец вектора тока якоря I при разных значениях тока возбуждения i_в скользит по прямой АВ. Для каждого значения I величина i_в может быть определена из уравнения токов синхронной машины , отра­жающего уравнение МДC . Так,i_в пред­ставляет собой результирую­щую МДС в зазоре F_ в масштабе тока возбуждения, I - МДС реакции якоря F_a в масштабе тока возбуждения или приведенный ток якоря. Ток возбуждения прямо пропорционален МДС F_в обмотки возбуждения.

Величина i_в может быть определена по результирующей ЭДС E_ обмотки якоря , индуктированной резуль­тирующим магнитным полем воздушного зазора. Если пренебречь для простоты сопротивлениями рассеяния x_sa= 0 и активным r_a= 0, то и, следова -

Рис. 12.3. Упрощённые векторные диаграммы синхронного двигателя

тельно, i_в  const. Вектор , как и вектор результирующего потока в зазоре , опережает на 90^о. Вектор совпадает по направлению с током якоря, и конец его скользит по прямойA'B', параллельной линии АВ, так как I' прямо пропорционален току якоря.

На рис. 12.3 построены векторные диаграммы токов для четырёх то­чек V-образной характеристики и получены токи возбуждения для соответствующих им токов якоря. Для точки 1 на рис.12.3 вы­полнено также построение векторной диаграммы напряжений по урав­нению, гдеЕ - ЭДС, индуктированная в обмотке якоря полем обмотки возбуждения; x_c - синхронное индуктивное сопротивление.

На рис. 12.4 представлены V- образные характеристики I = f(i_в) и cos = f(i_в) для P₂= 0 (холостой ход) и P₂= const  0.

На рис.12.3 и на характеристиках рис. 12.4 точка 1 соответству­ет перевозбуждению двигателя, когда реактивная мощность отдает­ся в сеть, Q>0; точка 2 - нормальному возбуждению, когда Q = 0 и cos = 1; точка 3 - недовозбуждению, когда реактивная мощ­ность потребляется из сети, Q < 0; точка 4 соответствует недовозбуждению и пределу статической устойчивости синхронного дви­гателя, когда угол нагрузки  равен критическому значению _кр. Угол  - это угол между векторами U и E.

Рис. 12.4.V-образные характеристики

Угол  называют углом нагрузки, так как он характеризует уровень нагрузки синх­ронного двигателя. Как видно из рис. 12.3, при уменьшении тока воз­буждения и P₂ =const  0 угол нагрузки  увеличивается и в точ­ке 4 достигает критического значения - _кр=90°. Точка 4 лежит на линии CD рис.12.4, которая является границей устойчивой работы синхронного двигателя. При i_в < i_в4 двигатель выпадает из синхро­низма.