Принцип действия трехфазных синхронных двигателей

При включении в сеть трехфазной обмотки статора в синхронной машине возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n₁ пропорциональна частоте тока в сети f₁:

Принцип работы синхронного двигателя рассмотрим на примере модели, представляющей собой две разделенные воздушным зазором системы полюсов: внешнюю и внутреннюю (рис. 4.6). Внутренняя система (ротор) расположена на валу и может вращаться.

Если внешняя система полюсов неподвижна, то благодаря си­лам взаимного притяжения внутренняя система расположится так, что ее полюсы будут находиться под полюсами внешней системы противоположной полярности. При этом силы, действующие на полюсы внутренней магнитной системы , не будут создавать электромагнитного момента (рис. 4.7, а), так как они направлены по оси полюсов.

Рис. 4.6. Модель синхронного двигателя Рис. 4.7. Принцип действия синхронного двигателя

Если же внешнюю систему полюсов вращать с небольшой часто­той n₁, то в первоначальный момент внешняя система сместится относительно внутренней системы на некоторый угол (рис. 4.7, б). В результате сила также повернется относительно оси полюса ротора. Теперь эту силу можно рассматривать как сумму двух составляющих: , при этом нормальная составляющая будет направлена по оси полюса ротора, а тангенциальная составляющая , направленная перпендикулярно оси полюса ротора, создаст вращающий момент. Совокупность сил , действующих на все полюсы ротора (внутренней системы), создаст электромагнитный момент М, который приведет ротор во вращение с синхронной частотой n₁. Таким образом, внутренняя система полюсов будет вращаться синхронно с внешней системой.

Трехфазный синхронный двигатель отличается от рассмотрен­ной модели тем, что вместо внешней системы полюсов в нем имеется статор с обмоткой, которая при включении в сеть создает вращающееся магнитное поле с тем же числом полюсов, что и на роторе. Благодаря магнитной связи этого поля с полюсами ротора возникает электромагнитный момент. В результате электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора синхронного двигателя, преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Ротор синхронного двигателя может вращаться лишь с часто­той, равной частоте вращения поля статора. Действительно, если предположить, что ротор двигателя вращается с частотой, отличной от частоты вращения поля статора, то в некоторые моменты времени полюсы ротора будут находиться под одноименными полюсами поля статора, что приведет к исчезновению тангенциальных составляющих сил , создающих электромагнитный момент. А в отдельные моменты времени силы будут приобретать направление, при котором электромагнитный момент окажется направленным в сторону, противоположную направлению вращения поля статора. В результате ротор вращаться не будет.

Свойство синхронных двигателей работать с синхронной часто­той является их особенностью и преимуществом по сравнению с двигателями других типов. По конструкции синхронные двигатели принципиально не отличаются от синхронных генераторов с демпферной обмоткой на полюсах.

Большое распространение в системах автоматики получили синхронные двигатели, в которых полюсы ротора возбуждаются постоянными магнитами. Такие двигатели не требуют постоянного тока для возбуждения, имеют более высокий к. п. д. (из-за отсутствия потерь на возбуждение) и надежнее в эксплуатации, так как не имеют контактных колец и щеток.