Лекция 25 Принцип работы и пуск синхронного двигателя

Схема полей статора и ротора син- хронного двигателя

В режиме двигателя статор машины подключается к трехфазной сети, в обмотку возбуждения через щетки и кольца подается постоянный ток возбуждения. Как и в асинхронном двигателе, токи обмоток якоря создают вращающееся магнитное поле статора, а ток возбуждения – неподвижный относительно ротора поток возбуждения. Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения северного и южного полюсов магнитных полей – статора и ротора. Если обеспечить условия для электромагнитного сцепления разноименных полюсов статора и ротора, то в дальнейшем поле статора и ротор будут вращаться с одинаковой частотой n (синхронно), причем поле статора будет ведущим, а ротор – ведомым

(S-полюс якоря «тянет» за собой N-полюс ротора).

Рассмотрим работу синхронного двигателя, начиная с момента пуска. Пусть одновременно подается питание в обмотки якоря и обмотку возбуждения. Так как у поля статора практически отсутствует момент инерции (вращаются только силовые линии поля), то оно мгновенно набирает синхронную скорость вращения. Из-за высокой линейной скорости полюсов поля якоря и значительного момента инерции ротора полюсы ротора не успевают сцепиться с разноименными полюсами поля якоря и пуск двигателя не происходит.

Для осуществления пуска необходимо предварительно раскрутить ротор до частоты вращения, близкой к синхронной.

Асинхронный пуск синхронного двигателя

Схема асинхронного пуска синхронного двигателя

Наиболее распространен способ «асинхронного» пуска, при котором ротор содержит дополнительную пусковую короткозамкнутую обмотку из медных или латунных стержней. При отсутствии этой дополнительной обмотки асинхронный пуск включает следующие действия. Вначале обесточенная обмотка возбуждения замыкается на реостат R_п ≈ 10R_в, где R_в – сопротивление обмотки возбуждения, т. е. переключатель SA1 находится в положении 1. Цель подключения R_п – избежать при пуске наведения в обмотке возбуждения значительной ЭДС, опасной для изоляции обмотки. Затем обмотка якоря выключателем QF1 подключается к трехфазной сети, в результате чего за счет замкнутой на R_п обмотки ротора двигатель разгоняется как асинхронный. При достижении частоты вращения ротора не менее 95% от синхронной частоты вращения поля выключатель SA1 переводят в положение 2, т. е. обмотку возбуждения отключают от R_п и подключают к источнику с напряжением U_в (возбудителю). Так как частота вращения полюсов ротора близка к частоте поля якоря, то наблюдается электромагнитное сцепление полей ротора и статора, двигатель втягивается в синхронизм и работает как синхронный.

Электромагнитный момент синхронного двигателя. Угловая и механическая характеристики

Анализ синхронного двигателя проведем, пренебрегая потерями в обмотках якоря и в стали и считая, что магнитная цепь машины не насыщена. В двигательном режиме ток якоря потребляется из сети, ЭДС E₀ направлена навстречу току I_я (противоЭДС E₀). Схема замещения фазной обмотки якоря показана на рисунке а и для нее:

U; ( = E; (₀ + jX_снI; (_я.

Схема замещения обмотки якоря (а) и векторная диаграмма (б) синхронного двига- теля

В двигательном режиме ось поля ротора отстает на угол нагрузки θ от оси поля статора. Аналогично противо-ЭДС E₀ отстает по фазе на угол θ от напряжения статора U .

Если пренебречь потерями, то можно приближенно считать, что механическая мощность P_мех на валу двигателя равна активной мощности P, потребляемой двигателем из сети, т. е.

,

где M – вращающий электромагнитный момент двигателя; W = πn/30 – угловая скорось ротора; U – фазное напряжение статора. Поскольку проекции векторов E; (₀ и jX_снI; (_я на горизонтальную ось одинаковы, т. е. X_снI_яcosj = E₀sinq, то для M

.

Зависимость M = f(θ) при U = const называют угловой характеристикой машины. Угловая характеристика (рис. 3.49) устойчива только в диапазоне –90° < θ < 90°, область θ > 0 соответствует двигательному режиму, а область θ < 0 – генераторному.

Угловая характеристики синхрон ного двигателя

Механическая характеристика син- хронного двигателя

Механическая характеристика n = f(M) синхронного двигателя в режиме синхронизма (при M_с < M_max) абсолютно жесткая, частота вращения не зависит от M_с. Если нагрузить двигатель так, что момент сопротивления M_с > M_max, то θ превысит 90° и рабочая точка окажется на неустойчивом участке угловой характеристики, на которой у двигателя отсутствует свойство саморегулирования момента. В результате двигатель выйдет из синхронизма, что может привести к тяжелой аварии в сети. Поэтому в номинальном режиме устанавливают θ_ном = 25÷35°, что обеспечивает запас по моменту K_M = M_max/M_ном = = 2÷2,4.