Принцип действия синхронного двигателя

⇐ ПредыдущаяСтр 60 из 85Следующая ⇒

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.

Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотке синхронного генератора (см. рис. 21.8). Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рис. 22.3, а. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи .

Рис. 22.3. Асинхронный пуск синхронного двигателя

Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил . Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 22.3, б). После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной , обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Образующийся при этом синхронный момент [см. (21.10)] втягиваем ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка двигателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора (см. § 21.4).

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождение в синхронизм. Явнополюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение двигателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается и синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм . Величина асинхронного момента при частоте вращения зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивления металла, из которого они изготовлены (см. рис. 13. ).

Следует обратить внимание, что выбор сопротивления пусковой клетки , соответствующего значительному пусковому моменту , способствует уменьшению момента входа в синхронизм и, наоборот, при сопротивлении , соответствующем небольшому пусковому моменту ( ), момент входа в синхронизм увеличивается (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя:

, — основной момент;

— дополнительный момент,

— момент входа в синхронизм

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекающий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для предотвращения этого обмотку возбуждения на период разгона ротора замыкают на активное сопротивление , примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуждения. Переключение зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с сопротивления на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П (см. рис. 22.3, а).

Замыкание накоротко обмотки возбуждения на время пускания двигателя нежелательно, так как при этом обмотка ротора образует однофазный замкнутый контур, взаимодействие которого с вращающимся полем статора также создает дополнительный асинхронный момент . Однако при частоте вращения, равной половине синхронной, этот момент становится тормозящим (рис. 22.4) и создает «провал» в характеристике пускового (асинхронного) момента (пунктирная кривая). Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя.

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряжение применяют при достаточной мощности сети, способной выдерживать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти- или семикратного значения (по сравнению с номинальным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно применить пуск двигателя при пониженном напряжении (см. § 15.2): автотрансформаторный или реакторный.

⇐ Предыдущая 55 56 57 58 596061 62 63 64 Следующая ⇒