Синхронный двигатель

а) Переход машины от работы генератором к работе двигателем

Если мощность на валу синхронной машины, работающей генератором параллельна с другими синхронными машинами, уменьшать, то угол θ будет также уменьшаться. При мощности на валу, равной нулю, угол θ также равен нулю (если пренебречь потерями в машине). В этом случае ЭДС машины прямо противоположна напряжению сети.

Если создать на валу машины тормозящий момент, то вектор ЭДС будет отставать от вектора напряжения . Будем в этом случае считать угол θ отрицательным. На рисунке 3.17 показана векторная диаграмма машины при работе генератором, а на рисунке 3.18 при работе двигателем.

Рис. 3.17. Диаграмма генератора

Рис. 3.18. Диаграмма двигателя

Из рисунков 3.17 и 3.18 следует, что при переходе машины от работы генератором к работе двигателем фаза тока изменяется почти на 180° в соответствии с изменением результирующего напряжения , действующего в цепи машины. Мощность, отдаваемая в сеть при работе машины двигателем, будет отрицательной: , а мощность, потребляемая из сети - положительной: .

Синхронная машина при работе двигателем будет, так же как и при работе генератором, держаться в синхронизме. Зависимость между мощностью двигателя и углом θ, как показано в дальнейшем, не отличается, если пренебречь потерями, от той же зависимости для генератора.

б) Пуск в ход синхронного двигателя

Синхронные двигатели долгое время находили себе применение лишь в редких случаях вследствие тех затруднений, которые создавались при пуске их в ход.

Электромагнитный вращающий момент М_ЭМ будет все время направлен в одну сторону только при синхронной частоте вращения ротора. Если же двигатель подключить к сети переменного тока, когда его ротор неподвижен, а в обмотке возбуждения имеется постоянный ток, то электромагнитный момент, получающийся от взаимодействия неподвижного поля полюсов и перемещающихся с синхронной частотой по окружности статора токов, будет в течение периода дважды изменять свое направление (над северным, например, полюсом ротора будут иметь место токи то одного направления, то, спустя полпериода, другого направления). Двигатель не придет во вращение, так как электромагнитный момент не сможет в течение полпериода разогнать ротор до синхронной частоты из-за его инерции.

Следовательно, для того чтобы электромагнитный вращающий момент в синхронном двигателе был направлен все время в одну сторону, необходимо до подключения синхронного двигателя к сети раскрутить его каким-нибудь посторонним двигателем до синхронной частоты вращения. После этого включение рубильника или масляного выключателя должно быть произведено в определенный момент времени, который устанавливается при помощи синхроноскопа. Способы включения здесь те же, что и для генератора.

Пуск синхронного двигателя при помощи постороннего двигателя, называемого разгонным или пусковым, обладает рядом крупных недостатков, которые и препятствовали широкому распространению синхронных двигателей.

При помощи разгонного двигателя, мощность которого обычно составляла 5…15% от номинальной мощности синхронного двигателя, последний можно было пускать только при малой нагрузке на валу. Установка к тому же получалась громоздкой и неэкономичной.

В качестве разгонного двигателя обычно использовался асинхронный двигатель с числом полюсов на два меньшим, чем число полюсов синхронного двигателя.

В настоящее время пуск в ход при помощи разгонного двигателя на практике почти не применяется; он иногда находит себе применение главным образом для мощных синхронных компенсаторов.

В последние годы почти во всех случаях практики применяется так называемый асинхронный пуск в ход. Синхронный двигатель при этом пускается как асинхронный. Его ротор должен быть снабжен специальной пусковой обмоткой, выполняемой так же, как продольно-поперечная успокоительная обмотка (рис. 3.19). Она мало отличается от короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя. Стержни пусковой обмотки закладываются в пазы полюсных наконечников и соединяются на торцах пластинами, образующими короткозамыкающие кольца (рис. 3.19). Вместо пусковой клетки иногда используются массивные полюсные наконечники, которые на торцах также должны быть соединены пластинами.

Рис. 3.19. Ротор синхронного двигателя с пусковой (успокоительной) обмоткой

Принципиальная схема асинхронного пуска в ход синхронного двигателя приведена на рисунке 3.20.

После включения двигателя в нем образуется вращающееся поле. Взаимодействие его с токами, наведенными в пусковой клетке, создает вращающий момент, так же как в короткозамкнутом асинхронном двигателе.

Обмотка возбуждения при этом должна быть замкнута, так как в противном случае в ней наводилась бы вращающимся полем большая ЭДС, опасная не только для изоляции обмотки, но и для обслуживающего персонала. Ее замыкают для увеличения пускового момента на сопротивление, приблизительно в 8 12 раз большее сопротивления самой обмотки возбуждения (переключатель на рисунке 3.20 должен быть включен вверх).

Синхронный двигатель, вращаясь как асинхронный, доходит почти до синхронной частоты. Получающееся при этом скольжение зависит от нагрузки на валу и от параметров электрических цепей ротора. Вхождение в синхронизм достигается после включения постоянного тока в обмотку возбуждения под действием возникающего при этом синхронизирующего момента (переключатель на рисунке 3.20 должен быть включен вниз).

Рис. 3.20. Схема синхронного двигателя (при асинхронном пуске)

При асинхронном пуске в ход синхронных двигателей они обычно непосредственно подключаются к сети, если мощность сети достаточно велика и для нее допустимы большие пусковые токи, которые достигают в начале пуска 5…6-кратных значений по сравнению с номинальными. Если же необходимо уменьшить пусковые токи, то пуск производится при пониженном напряжении, так же как мощных асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Здесь также применяется пуск при переключении обмотки статора со звезды на треугольник, что дает уменьшение фазного напряжения при пуске в раз, а линейного тока - примерно в 3 раза. Чаше для понижения напряжения при пуске используется автотрансформатор или реактор (реактивная катушка). Соответствующие принципиальные схемы пуска представлены на рисунке 3.21.

Автотрансформаторный пуск производится по схеме «а» рисунка 3.21, причем порядок пусковых операций следующий: замыкается выключатель В₃, соединяющий обмотки автотрансформатора AT в «звезду»; затем замыкается выключатель В₁; по достижении двигателем некоторой определенной частоты вращения выключатель В₃ размыкается и автотрансформатор превращается в реактивную катушку; наконец, замыкается выключатель В₂, и двигатель получает полное напряжение, после чего включается постоянный ток в обмотку возбуждения и двигатель входит в синхронизм.

Реакторный пуск производится по схеме «б» рисунка 3.21. Порядок пусковых операций в этом случае следующий: на первой стадии пуска замыкается выключатель В₁; затем по достижении определенной частоты вращения замыкается выключатель В₂ и к двигателю подается полное напряжение; после этого включается постоянный ток в обмотку возбуждения и двигатель входит в синхронизм.

Рис. 3.21. Схема пуска синхронного двигателя при пониженном напряжении: а - автотрансформаторный пуск; б - реакторный пуск

Автотрансформаторный пуск является трехступенчатым пуском. На первой ступени к двигателю подводится напряжение U₂, равное 40…60% номинального напряжения U_н; на второй ступени, когда автотрансформатор используется как реактор, к двигателю подводится напряжение, составляющее 70…80% номинального. Пусковые токи, получаемые из сети в начале пуска, здесь уменьшаются, как показано ниже, пропорционально квадрату напряжения.

Начальный пусковой ток в обмотке статора уменьшается пропорционально напряжению. Если при полном напряжении U_Н на обмотке статора начальный пусковой ток равен I_НАЧ, то при напряжении U₂ он равен

.

Ток из сети I_С — ток первичной обмотки автотрансформатора, имеющего коэффициент трансформации ; следовательно,

,

т. е. ток сети пропорционален квадрату напряжения, так же как начальный вращающий момент, развиваемый двигателем.

При реакторном пуске ток сети I_С, поступающий в двигатель в начале пуска, пропорционален напряжению, тогда как начальный вращающий момент пропорционален квадрату напряжения. В этом недостаток реакторного пуска по сравнению с автотрансформаторным. Однако к его преимуществам нужно отнести более простую схему, меньшее количество необходимой аппаратуры. Поэтому при питании двигателей от достаточно мощных подстанций, когда допустимы большие пусковые токи, следует предпочесть более простой и дешевый реакторный пуск.

в) Синхронный компенсатор

Как указывалось, синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу и предназначенный для компенсации сдвига фаз тока и напряжения или для регулирования напряжения в конце и в промежуточных точках линии электропередачи. Последнее достигается путем регулирования тока возбуждения синхронного компенсатора, что приводит к изменению реактивной составляющей тока линии электропередачи. Обычно синхронный компенсатор работает с перевозбуждением, потребляя из сети опережающий ток, как конденсатор. Поэтому его иногда называют синхронным конденсатором.

Пуск в ход синхронного компенсатора осуществляется при помощи разгонного двигателя, причем включение его в сеть на подстанциях довольно часто производится по методу самосинхронизации. В последние годы широко применяется также асинхронный пуск в ход при пониженном напряжении.

Их номинальная мощность соответствует режиму работы с опережающим напряжение током (практически на 90⁰). Ток возбуждения при этом режиме работы является номинальным током возбуждения. Для его уменьшения синхронные компенсаторы обычно выполняются с меньшим воздушным зазором, чем синхронные двигатели.