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. 22.2. 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.