6.3.10. Синхронные двигатели

Электромагнитный момент. Принцип действия синхронных двигателей был рассмотрен в 6.3.4, и до сих пор считалось, что двигатель работает в установившемся режиме. При этом ось результирующего поля статора опережает ось поля возбуждения ротора на угол (рис. 6.43), который влияет на величину электромагнитного момента двигателя. Анализ показывает, что этот момент определяется величиной ,где максимальное значение электромагнитного момента при , пропорциональное напряжению сети и магнитному потоку (току) возбуждения ротора. Зависимость синхронного двигателя называется угловой характеристикой, которая имеет такой же вид и для синхронного генератора.

Таким образом, регулирование электромагнитного момента синхронного двигателя можно осуществлять током возбуждения ротора (рис. 6.57). Анализ условий устойчивости электродвигателей применительно к угловой характеристике синхронного двигателя показывает следующее.
	Рис. 6.57

Устойчивая работа синхронного двигателя возможна только при таких значениях , когда возрастание(в результате увеличения момента сопротивления) сопровождается соответствующим ростом электромагнитного момента, т. е. когда . Это является необходимым условием восстановления равновесия моментов. Таким образом, устойчивая работа двигателя возможна при .

При двигатель выпадает из синхронизма. На практике наибольшее допустимое значениесоставляет 20 ... 30°.

На угловых характеристиках (рис. 6.57) при одном и том же значении момента сопротивления на валу показано значение углов при различных токах возбуждения ротора. Уменьшение тока возбуждения может привести к недопустимому увеличениюи остановке двигателя.

Работа асинхронного двигателя при изменяющемся токе возбуждения. Важнейшим свойством синхронного двигателя является то, что регулированием тока возбуждения можно изменять не только величину электромагнитного момента, но фазу и величину тока статора, потребляемого из сети, при постоянстве момента сопротивления на валу. Это связано с тем, что, как и в асинхронном двигателе, постоянство напряжения сети, к которой подключен статор, требует практически неизменной величины результирующего магнитного потока в зазоре. Он образуется в рабочем режиме потоком возбуждения ротора и потоком токов якоря(6.3.6).

Сопротивление обмотки статора практически чисто индуктивное, поэтому в любом режиме напряжение сети должно уравновешиваться суммой ЭДС от потока ротора и падением напряжения на индуктивном сопротивлении статора (6.3.6), равном по величине и противоположном по знаку сумме . Поэтому любое изменение величины тока и потока возбуждения при постоянстве момента двигателя вызовет изменение тока статора, обеспечивающее электромагнитное равновесие в цепи статора.

Для подтверждения сказанного рассмотрим работу синхронного двигателя в режиме холостого хода (М=0), когда активная составляющая тока статора равна нулю.

Если двигатель работает при токе возбуждения ротора, обеспечивающем равенство и , ток в обмотке статора отсутствует (рис. 6.44б). При перевозбужденном двигателе , а его векторная диаграмма имеет вид, показанный на рис. 6.58а.

а б Рис. 6.58

В этом случае появляющийся в статоре ток является реактивным, для сети - опережающим (емкостным), а для машины - отстающим, следовательно, размагничивающим машину.

При недовозбуждении машины, когда , возникает реактивный ток статора , являющийся для сети отстающим индуктивным, а для машины - опережающим, намагничивающим машину (рис. 6.58б). В первом случае машина подобна конденсатору, вызывающему в сети опережающий ток, а во втором - индуктивной катушке, вызывающей в сети отстающий ток.

Для качественной оценки регулирования реактивной составляющей тока статора с помощью тока возбуждения используются U-образные характеристики, выражающие зависимость при неизменном моментеM на валу. Кривая приM=0 показана на рис. 6.59.
	Рис. 6.59

Участки 2-3 и 1-2 на этой характеристике соответствуют векторным диаграммам, приведенным на рис. 6.58а и 6.58б соответственно.

Обычно синхронные двигатели работают с перевозбуждением при . При этом емкостные составляющие токов статора компенсируют в сети индуктивные составляющие токов асинхронных двигателей, трансформаторов и других электрических машин, уменьшая токи и потери энергии в линии.

Способность синхронной машины вызывать в сети опережающий ток обусловливает их широкое применение специально для работы на холостом ходу только для генерирования реактивной мощности, т.е. для повышения значения сети. Такие машины называются синхронными компенсаторами и работают в режиме двигателя перевозбужденными, вызывая ток, который опережает на угол, близкий 90°, и повышает коэффициент мощности сети.

Пуск синхронного двигателя. Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, скорость которого устанавливается мгновенно. При этом на ротор, если он возбужден, действует знакопеременный момент, среднее значение которого за период равно нулю. Электромагнитный момент возникает и может заставить ротор вращаться только в том случае, когда полюсы поля статора будут медленно перемещаться относительно полюсов возбуждения ротора. Такому перемещению соответствует разность скоростей ротора и поля статора порядка 5%. Следовательно, до включения цепи возбуждения ротор необходимо разогнать каким-либо способом до скорости, близкой к синхронной. Для разгона современных синхронных двигателей их роторы снабжаются специальной пусковой обмоткой, закладываемой в тело ротора и подобной «беличьей клетке» ротора асинхронного двигателя. При достижении скорости вращения ротора, составляющей примерно , в обмотку возбуждения подается ток и двигатель начинает работать синхронно. В этом случае пусковая обмотка не влияет на работу двигателя, так как в ее стержнях ЭДС не наводится. Отключаемую от источника питания обмотку возбуждения при пуске замыкают на активное сопротивление. Если обмотку оставить разомкнутой, вращающийся относительно ротора поток статора в начале пуска индуцирует в ней ЭДС, в 20 ... 30 раз превышающую номинальное напряжение возбуждения, что может привести к пробою изоляции обмотки ротора.

Синхронные двигатели обычно пускаются прямым включением в сеть статорной обмотки. Только крупные двигатели (более 3000 кВт) требуют ограничения пускового тока. Для этой цели используют понижение напряжения, подводимого к статору. Сложность пуска, необходимость применения специальной аппаратуры ограничивают широкое внедрение в промышленность синхронных двигателей средней мощности.

279