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 со 1. При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора d — d смещена относительно оси вращающегося поля d' — d' на угол 0' в направлении вращения ротора (рис. 22.1, справа). Вращающий момент приводного двигателя M'1 уравновешивается суммой электромагнитного момента генератора М' и момента х. х. (M'1 = — M'+Mo). На угловой характеристике этому ре­жиму генератора соответствует точка Г.

Если уменьшать вращающий момент М'1, то на­грузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол θ' а следовательно, и ток статора I1. В итоге снизится величина электро­магнитного момента М' и при вращающем моменте M'1= М0угол θ = 0, т. е. генератор будет работать в режиме х. х. (I1 = 0) и ЭДС генератора Е0 ока­жется в противофазе с напряжением сети Uc. 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 Мг, направленный встречно вращению рото­ра машины, то произойдет смещение вектора ЭДС Ёо на угол — θ относительно его положения в ре­жиме х. х. в сторону отставания (рис. 22.1, слева). При этом в цепи обмотки статора появится результирующая ЭДС Ė= Ė о+Ůс которая создаст в обмотке статора ток I1, отстающий по фазе от ЭДС ΔЕ на угол 90° (предполага­ется r1≈О) и отстающий по фазе от напряжения сети Uc на угол Ф1 (в генераторном режиме ток U отстает по фазе от ЭДС Е0 на угол).

Ток I1, создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором, ось которого d' — d' смещена относительно продольной

Рис. 22.1. Переход,синхронной машины из генераторного режима в двига­тельный

оси полюсов ротора d — d на угол — 6. Допустим, работа двига­теля происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рис. 22.1, слева), что соответствует углу — θ". Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодей­ствия полюсов F''t—Fм''sin θ создадут на роторе двигателя элек­тромагнитный момент М", направленный согласно с вращающим магнитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой ω1. 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. М0 и создает на валу двигателя полезный момент М'{, под действием которого приводится во вра­щение исполнительный механизм:

М" = Мь + М'1

в -180

Эл. град.

Угловая характеристика хронного двигателя

Все значения момента на угловой характеристике синхронного двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхроииои 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 (21.7) и (21.8), а электромомент (21.9) магнитныи и (21.10).

Угловые характеристики электромагнитного момента M = f(θ) и его составляющих Мосн = f(θ) и

Мр =f(θ) 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 8 и моментов М и Мoсн, а также момента Мр при θ = 0÷(—90°).

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 θ = 0.

Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики (рис. 22.2) при θ = 0÷ (—θ кр).

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

λ== Мmах/Мном.

Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей к = 2 ÷3, что при номинальной нагрузке двигателя соответст­вует е„ом = 30÷20 эл. град.

Ротор синхронного двигателя может вращаться только с син­хронной частотой n1 = f160/p. Чтобы убедиться в этом, достаточ­но предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с часто­той n2<n1. 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 0. 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

2р = 6÷24 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 0,9 т вместо 0,7 т в генераторах. Поэтому, не­смотря на свойство обратимости, синхронные машины, выпускае­мые промышленностью, имеют обычно целевое назначение — либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.