синхронні двигуни

§ 102. Синхронні двигуни

Синхронний двигун не має принципових конструктивних відмінностей від синхронного генератора. Так само як і в генераторі, на статорі синхронного двигуна поміщається трифазна обмотка, при включенні якої в мережу трифазного змінного струму створюється обертове магнітне поле, число оборотів в хвилину якого дорівнює:

На роторі двигуна поміщена обмотка збудження, що підключається до джерела постійного струму. Струм збудження створює магнітний потік полюсів. Обертове магнітне поле, порушену струмами обмотки статора, захоплює за собою полюси ротора. При цьому ротор може обертатися тільки з синхронної швидкістю, т. Е. Зі швидкістю, що дорівнює швидкості обертання поля статора. Таким чином, швидкість синхронного двигуна строго постійна, якщо незмінна частота струму мережі живлення.
На рис. 136 результуюче магнітне поле статора і поле ротора в деякій точці кола статора зображені полюсами різної полярності (N і S). При обертанні поле статора захоплює за собою полюси ротора так, що магнітні поля статора і ротора обертаються синхронно, зі швидкістю v. Якщо на валу двигуна ніякого навантаження немає, т. Е. Він працює вхолосту, то, нехтуючи механічними втратами в двигуні (тертям в підшипниках і тертям об повітря обертових частин машини), можна вважати, що ротор слід за полем статора і осі магнітних полів статора і ротора збігаються, т. е. кут між осями магнітних полів статора і ротора θ = 0 (рис. 136, а). Якщо на валу двигуна докласти деякий гальмівний момент Мт. створюваний приймачем механічної енергії, то ротор на якийсь відрізок часу зменшить свою швидкість. Магнітне поле статора, що обертається з постійною швидкістю, почне переміщатися щодо ротора,

і кут між осями полів статора і ротора θ нічого очікувати дорівнює нулю (рис. 136, б). При цьому магнітні лінії, розтягуючись і прагнучи замкнути найкоротшим шляхом, будуть впливати на ротор так, щоб вісь поля ротора наблизилася до осі поля статора. Таким чином, при появі кута між ссямі магнітних полів статора і ротора θ двигун розвиває крутний момент Мв. Після відновлення рівноваги моментів, коли крутний момент стане дорівнює моменту гальмівного (Мв = Мт), ротор знову буде обертатися синхронно з полем статора при незмінній величині кута θ.
При збільшенні навантаження двигуна, т. Е. При збільшенні гальмівного моменту на його валу Мт. ротор знову дещо зменшить свою швидкість і кут θ почне збільшуватися. Магнітні лінії розтягуються більше, збільшуючи крутний момент Мв і рівновагу моментів Мв = Мт настає при більшому значенні кута θ. Зменшення навантаження на валу двигуна викликає зменшення кута θ.
Таким чином, у синхронного двигуна, так само як і у синхронного генератора, що працює на потужну мережу, зміна навантаження викликає зміна кута між осями магнітних полів статора і ротора. Відмінною особливістю двигуна є те, що якщо у генератора поле ротора було випереджаючим по відношенню до поля статора, то у двигуна поле статора є випереджальним, а поле ротора - відстаючим.
Зміна навантаження двигуна викликає відповідну зміну активної потужності, споживаної їм із мережі. Це легко зрозуміти з векторної діаграми, зображеної на рис. 137, a, і побудованої для однієї фази обмотки статора двигуна. Під дією прикладеної напруги мережі Uc збуджується обертове магнітне поле статора, амплітуда якого зображена вектором φp. поверненим щодо вектора Uc на 90 ° в бік відставання (за годинниковою стрілкою). При постійній напрузі мережі Uc амплітуда поля статора φp також незмінна, т. Е. На діаграмі вектор φp постійний.

При деякій навантаженні двигун споживає з мережі струм I. який при певному струмі збудження може бути збігається з напругою по фазі (активним). Струм в обмотці статора I збуджує потік реакції якоря Ф ", який пропорційний току в статорі і збігається з ННМ по фазі. Тому в іншому масштабі вектор струму статора I являє собою вектор потоку реакції якоря φя. Так як результуючий поле статора φp є результат спільної дії поля полюсів φm і поля реакції якоря φя і, отже, може бути представлено геометричній сумою векторів φm і φя. то вектор, що з'єднує кінці векторів φя і φp. є вектором потоку полюсів φm. Таким чином, при обраної навантаженні між осями магнітних полів статора і ротора буде кут θ.
Якщо збільшити навантаження на валу двигуна, то кут між осями магнітних полів статора і ротора збільшиться до значення θ 'і на векторній діаграмі вектор φ'm. залишаючись незмінним за величиною (так як незмінний струм збудження), повернеться щодо незмінного вектора φp на кут θ '. При цьому зміниться струм в статорі I 'і потік реакції якоря φ'я. Активна складова струму в статорі I 'збільшиться в порівнянні з початковим струмом статора I. т. Е. Підвищиться активна потужність, споживана двигуном з мережі. Отже, збільшення навантаження на валу двигуна викликає підвищення активної потужності, споживаної їм із мережі, а при зменшенні навантаження двигуна активна потужність знижується.
Зміна струму збудження синхронного двигуна призводить до зміни реактивної потужності, споживаної їм із мережі. На векторній діаграмі, побудованій для однієї фази обмотки статора (рис. 137, б), зображений вектор напруги мережі Uc і незмінний (при постійній напрузі мережі Uc) вектор результуючого магнітного поля статора (амплітуда магнітного потоку) φp. повернений щодо вектора Uc на 90 ° в бік відставання (за годинниковою стрілкою). Двигун працює під навантаженням і при певному струмі збудження (нормальне збудження) струм в обмотці статора I збігається по фазі з напругою мережі Uc (струм чисто активний).
Вектор струму обмотки статора в іншому масштабі являє собою вектор потоку реакції якоря φя. пропорційний току в обмотці статора і збігається з ним по фазі. Вектор, що з'єднує кінці векторів φя і φp. є вектором магнітного потоку полюсів φm. При зміні струму збудження синхронного двигуна споживана їм з мережі активна потужність залишається незмінною, тому що навантаження на валу двигуна постійна. Активна складова струму в обмотці статора буде також постійної при зміні струму збудження. Тому кінець вектора струму статора I і потоку реакції якоря φя може лежати тільки на прямій АВ. паралельної горизонтальній осі. Отже, вектор потоку полюсів φm буде завжди розташований так, що кінець його збігається з кінцем незмінного вектора потоку результуючого поля статора φp. а початок - з кінцем вектора потоку реакції якоря φя. т. е. на прямий АВ.
При підвищенні струму збудження (при збудження) збільшиться і потік полюсів φ'm. вектор якого розташований між прямою АВ і кінцем вектора φp. Вектори струму в обмотці статора I 'і потоку реакції якоря φ'm випереджають по фазі напруга мережі Uc. т. е. двигун споживає з мережі реактивний випереджаюче ток, будучи по відношенню до мережі конденсатором. Зменшення струму збудження (недовозбужденіем) зменшує потік полюсів φ'm і струм в обмотці статора I 'виявиться відстаючим по відношенню до напруги мережі, т. Е. Для мережі живлення двигун буде індуктивним навантаженням.
Основною перевагою синхронних двигунів є можливість їх роботи зі споживанням випереджаючого, струму, т. Е. Двигун може являти собою ємнісне навантаження для мережі. Такий двигун підвищує cos φ всього підприємства, компенсуючи реактивну потужність, споживану іншими приймачами енергії.
Синхронні двигуни виробляють переважно з явновираженнимі полюсами і працюють вони в нормальному режимі з перепорушенням при випереджальному cos φ = 0,8. Порушення синхронних двигунів здійснюється або від збудників, або від мережі змінного струму через напівпровідникові випрямлячі.
Пуск в хід синхронного двигуна безпосереднім включенням його в мережу неможливий, так як при включенні обмотки статора в мережу створюється обертове магнітне поле, а ротор в момент включення нерухомий і, отже, взаємодії магнітних полів статора і ротора немає, т. Е. Двигун не розвиває крутного моменту. При нерухомому роторі, що обертається поле статора, взаємодіючи з полем ротора, буде розвивати крутний момент, безперервно змінює напрямок. В деякий момент часу (рис. 138) крутний момент має один напрямок. Через деякий відрізок часу поле статора повернеться щодо нерухомого ротора і напрямок крутного моменту зміниться на протилежне. Таким чином, результуючий обертальний момент за один оборот поля статора щодо нерухомого ротора дорівнює нулю. Тому для пуску в хід двигуна необхідно попередньо збільшити число обертів ротора його до синхронної швидкості або близькою до неї.

В даний час виключне застосування отримав так званий асинхронний пуск синхронних двигунів, сутність якого полягає в наступному. У полюсних наконечниках ротора синхронного двигуна укладається пускова обмотка, виконана у вигляді білячого колеса подібно короткозамкненою обмотці ротора асинхронної машини.
Обмотки статора двигуна включаються в трифазну мережу і пуск його проводиться так само, як пуск асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором.
Після того як двигун розвине швидкість, близьку до синхронної (приблизно 95%), обмотка збудження включається в мережу постійного струму і двигун входить в синхронізм, т. Е. Швидкість ротора збільшується до синхронної.
При пуску в хід двигуна обмотка збудження замикається на опір приблизно в 10 - 12 разів більше, ніж опір самої обмотки. Не можна обмотку збудження при пуску в хід залишити розімкнутої або замкнути. Якщо під час пуску в хід обмотка збудження виявиться розімкнутої, то в ній буде индуктироваться дуже велика е. д. з. небезпечна як для ізоляції обмотки, так і для обслуговуючого персоналу. Створення е. д. з. великий величини пояснюється тим, що при пуску в хід поле статора обертається з великою швидкістю щодо нерухомого ротора і з такою ж швидкістю перетинає провідники обмотки збудження, що має багато витків.
Якщо обмотку збудження замикають контакти + при пуску в хід двигуна під навантаженням, то він може розвинути швидкість, близьку до половини синхронної, і увійти в синхронізм не зможе.
Можливість роботи зі споживанням з мережі випереджаючого струму дає можливість використовувати синхронну машину в якості компенсатора. Як було зазначено вище, синхронний двигун для мережі може бути конденсатором і підвищувати cos φ всій енергоустановки, компенсуючи реактивну потужність інших приймачів енергії. Підвищення cos φ знижує споживання реактивної потужності електроустановок підприємства і зменшує вартість електроенергії.
Таким чином, синхронним компенсатором служить синхронний двигун, що працює без навантаження і призначений для підвищення cos φ підприємства. Отже, синхронний компенсатор є генератором реактивної потужності.
Конструктивно синхронний компенсатор відрізняється від синхронного двигуна незначно. Компенсатор не несе механічного навантаження, тому його вал і ротор легше, а повітряний зазор менше, ніж у двигуна.
Основним недоліком синхронних двигунів є потреба в окремому джерелі постійного струму для живлення обмотки збудження.