§22.1. Принцип действия синхронного двигателя

В соответствии с принципом обратимости элек­трических машин синхронная машина может рабо­тать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Для объяснения принципа работы синхронного двигателя представим себе синхронный генератор, включенный на параллельную работу в сеть боль­шой мощности.

Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоро­стью . При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора смещена отно­сительно оси вращающегося поля на угол в направлении вращения ротора (рис. 22.1, справа). Вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой электромагнитного мо­мента генератора М' и момента х.х. М₀ ( ). На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.

Если уменьшать вращающий момент , то на­грузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол , а следовательно, и ток статора ). В итоге снизится величина электро­магнитного момента М' и при вращающем моменте угол , т. е. генератор будет работать в режиме х. х. ( = 0) и ЭДС генератора Е₀ окажется в противофазе с напряжением сети . Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пе­ресечения осей координат (точка О на рис. 22.1). Ес­ли же вал синхронной машины отсоединить от при­водного двигателя и создать на этом валу тор­мозной момент, т.е. момент нагрузки М₂, на­правленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС на угол — относительно его положения в режиме х. х. в сторону отставания (рис. 22.1, слева). При этом в цепи обмотки ста­тора появится результирующая ЭДС , которая соз­даст в обмотке статора ток , отстающий по фазе от ЭДС на угол 90° (предполагается ) и отстающий по фазе от напряже­ния сети _е на угол (в генераторном режиме ток , отстает по фазе от ЭДС Е₀ на угол ).

Рис. 22.1. Переход синхронной машины из генераторного режима в

двигательный

Рис. 22.2. Угловая характеристика син­хронного двигателя

Ток создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором, ось которого смещена относительно продольной оси полюсов ротора на угол — . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рис. слева), что соответствует углу — . Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов создадут на роторе двигателя электромаг­нитный момент М", направленный согласно с вращающим магнитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой . При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент М" преодолевает момент х. х. и создает на валу двигателя полезный момент , под действием которого приводится во вращение исполнительный механизм:

Все значения момента на угловой характеристике синхронно­го двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генератор­ного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генераторном режиме. Оперирование с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудобно, поэтому при рассмотрении синхронных двигателей условно будем принимать моменты и мощности положительными, помня при этом изложенное ранее о направлении этих параметров.

Электромагнитная мощность синхронного двигателя опре­деляется выражениями (2 1 .7) и (2 1 .8), а электромагнитный момент - (2 1.9) и (2 1.10).

Угловые характеристики электромагнитного момента и его составляющих и представлены на рис. 22.2. Эти характеристики отличаются от угловых характери­стик генератора (см. рис. 21.5) лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т. е. определяются отрицатель­ными значениями углов и моментов и а также момента при .

Таким образом, в общем виде угловая характеристика син­хронной машины представляет собой две полуволны результи­рующего момента М: положительную, соответствующую генера­торному режиму работы (см. рис. 21.5), и отрицательную, соответствующую двигательному режиму работы (рис. 22.2). Переход машины из одного режима работы в другой происходит при .

Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики (рис. 22.2) при .

Отношение максимального электромагнитного момента к номинальному [см. (21.16)] определяет перегрузочную спо­собность синхронного двигателя

.

Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей , что при номинальной нагрузке двигателя соответствует эл. град.

Ротор синхронного двигателя может вращаться только с син­хронной частотой . Чтобы убедиться в этом, достаточ­но предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с часто­той . В какой-то момент времени намагниченные полюсы ротора расположатся против одноименных полюсов вращающего­ся магнитного поля статора и тогда нарушится магнитная связь между намагниченными полюсами ротора и полюсами вращающе­гося поля статора, так как их одноименные полюсы будут взаимно отталкиваться и ротор, перестав испытывать устойчивое действие вращающего электромагнитного момента, остановится.

Вращение ротора синхронных двигателей только с синхрон­ной частотой составляет характерную особенность этих двигате­лей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).

При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя ме­няется угол . При этом ротор вследствие инерции вращающихся масс агрегата не сразу занимает положения, соответствующие новой нагрузке, а некоторое время совершает колебательные дви­жения. Таким образом, в синхронном двигателе, так же как и в генераторе, имеют место колебания (физическая сущность этого явления изложена в § 21.4).

По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некото­рые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучше­нию ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пускового тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она является пусковой обмоткой (см. § 22.2); ширина полюсного наконечника достигает вместо в генераторах. Поэтому, несмотря на свойство обратимости, синхронные машины, вы­пускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение — либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.