Синхронные двигатели

Любой приемник электрической энергии требует постоянства напряжения сети. Чтобы обеспечить постоянное напряжение сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе, изменяют и ток возбуждения.

Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изме­нить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось неиз­менным, называется регулировочной характеристикой (рис. 129), При активной нагрузке увеличение тока в статоре вызывает незна­чительное понижение напряжения, так как реакция якоря незначи­тельно уменьшает магнитный поток. При этой нагрузке требуется незначительно увеличить ток возбуждения для обеспечения по­стоянства напряжения. При индуктивной нагрузке создается про­дольное размагничивающее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Поэтому, чтобы создать постоянство напряжения (т. е. для постоянства результирующего магнитного потока), необ­ходимо более значительно увеличить ток возбуждения для компен­сации размагничивающего поля реакции якоря. При емкостной нагрузке происходит усиление магнитного поля и для постоянства напряжения необходимо уменьшить ток возбуждения при увеличе­нии тока в статоре.

Наиболее часто синхронные генераторы работают на общую мощную сеть электростанции или энергосистемы.  Напряжение такой сети Uc частота тока в ней неизменны. Напряжение на зажи­мах генератора равно и противоположно напряжению сети Uг= —Uс.

Результирующее магнитное поле ФР статора, вращающееся с  числом оборотов в  пространстве,  опережает напряжение Uг на 90° (рис. 130).

При неизменном напряжении сети UС амплитуда магнитного потока Фр результирующего магнитного поля ста­тора также неизменна. При активной нагрузке генератора ток статора  сов­падает по фазе с напряжением Uг. По­ток реакции якоря Фя совпадает по фазе с током I, так что вектор тока в статоре I в другом масштабе определит вектор Фя. Результирующий магнит­ный поток создается действием потока полюсов Фт и потока реакции якоря Фя и может быть представлен геометриче­ской суммой этих магнитных потоков.

Изменение тока возбуждения гене­ратора не вызывает изменения его активной мощности, так как мощность, потребляемая  им  от  первичного  двигателя, остается неизменной (вращающий момент первичного двигателя и скорость вращения постоянны). Поэтому актив­ная составляющая тока статора постоянна и конец вектора I (Фя) находится на прямой АВ, параллельной горизонтальной оси. Если увеличить ток возбуждения, то увеличится поток полюсов Ф’т, вектор которого находится между прямой АВ и концом неиз­менного вектора Фр.

В этом случае изменится как по величине, так и по направле­нию вектор  I ‘ и Ф’я, т. е. ток окажется отстающим по фазе от на­пряжения генератора.

При уменьшении тока возбуждения уменьшится также и потом полюсов Ф"т, что приведет к изменению тока в статоре I"(Ф"я)  как по величине, так и по фазе. Таким образом, изменение тока возбуждения генератора, работающего на мощную сеть, вызывает изменение реактивной составляющей тока в статоре, т. е. изменяем реактивную мощность, вырабатываемую генератором.

Для изменения активной мощности необходимо изменить вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора. Под действием вращающего момента первичного двигателя М1 ротор машины с помещенными на ней полюсами приводится во вращение с числом оборотов в минуту n. Результирующее поле статора вращается в том же направлении с числом оборотов n1 =n (рис. 131, а). Следовательно, поле полюсов и результирующее поле статора вращаются синхронно, оставаясь неподвижными друг относительно друга, и между этими полями устанавливается взаимодействие. Магнитные линии, растягиваясь  стремятся приблизить поле ротора к полю статора, создавая электромагнитный тормозной момент Мэ, уравновешивающий момент первичного двигателя.

При равновесии момент М1=МЭ угол между осями магнитных полей в остается неизменным.

Если увеличить момент первичного двигателя М’1 (рис. 131, б),  то он окажется  больше тормозного, и ротор,  получив  некоторое ускорение, начнет перемещаться относительно поля статора,  вращающегося с постоянной скоростью (частота тока сети  постоянна). При этом угол между осями магнитных полей ротора и статора 61 увеличится, и магнитные линии, растягиваясь в боль­шей степени, увеличат тормозной электромагнитный момент М’э так, что вновь восстановится равновесие моментов, т. е. М1 = Мэ. Для включения генератора в сеть необходимо:

1)  одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;

2)  равенство напряжения сети и э. д. с. генератора;

3)  равенство частот э. д. с. генератора и тока сети;

4)  включать генератор в тот момент, когда э. д.с. генератора в  каждой фазе направлена встречно напряжению сети.

Невыполнение этих условий ведет к тому, что в момент вклю­чения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и опасными для генератора. При включении генерато­ров в сеть используют специальные устройства — синхроноскопы. Простейшим синхроноскопом являются три лампы накаливания, включаемые между зажимами генератора и сети. Лампы должны быть рассчитаны на двойное напряжение сети и до включения гене­ратора будут одновременно загораться и погасать.

В момент, когда э. д. с. генератора равна и направлена встреч­но напряжению сети, лампы погаснут, так как напряжение на лам­пе равно нулю. При погасании ламп замыканием рубильника ге­нератор включается в сеть.

До включения генератора в сеть э. д.с. его измеряется вольт­метром и регулированием тока возбуждения устанавливается рав­ной напряжению сети. Частота э. д.с. генератора регулируется из­менением скорости вращения первичного двигателя.

§ 103. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктив­ных отличий от синхронного генератора. Так же как и в генера­торе, на статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого

На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включае­мая в сеть источника постоянного тока. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, полу­ченное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Основным достоинством синхронных двигателей является воз­можность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает соз  всего предприятия, компенсируя реактивную мощность других приемников энергии.

Так же как и в генераторах, в синхронных двигателях измене­ние реактивной мощности, т. е. изменение соs , достигается регу­лированием тока возбуждения. При некотором токе возбуждения, соответствующем нормальному возбуждению, соs=1. Уменьше­ние тока возбуждения вызывает появление отстающего (индуктив­ного) тока в статоре, а при увеличении тока возбуждения (пере­возбужденный двигатель) — опережающего (емкостного) тока в статоре.

Достоинством синхронных двигателей является также меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент про­порционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асин­хронных— квадрату напряжения.

Вращающий момент синхронного двигателя создается в резуль­тате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный Поток поля статора.

Синхронные двигатели выполняют преимущественно с явно Сраженными полюсами, и работают они в нормальном режиме при опережающем соs =0,8. Возбуждение синхронные двигатели получают либо от возбудителя, либо от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включе­нием его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен, и следовательно, взаимодействия магнитных полей статора и ротора нет, т. е. двигатель  не  развивает вращающего момента. Поэтому для пуска в ход двигателя необхо­димо предварительно увеличить число оборотов ротора  его до син­хронной скорости или близкой к ней.

В настоящее время исключительное применение имеет так на­зываемый асинхронный пуск синхронных двигателей, сущность ко­торого заключается в следующем. В полюсных наконечниках ро­тора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, вы­полненная в виде беличьего колеса, наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронной машины.