Устройство и принцип действия синхронного двигателя.

Синхронные машины, как и другие электрические машины, обратимы, т. е. они могут работать как в генераторном, так и двигательном режиме. Для того чтобы синхронная машина работала двигателем, трехфазную обмотку статора подключают к трехфазной системе напряжения. Протекающие по обмоткам статора токи создают вращающиеся поле статора, которое сцепляется с постоянным магнитным потоком ротора и заставляют вращаться ротор в направлении своего вращения, об/мин

 

. (18.1)

 

Система возбуждения магнитного поля ротора синхронных двигателей принципиально не отличается от системы возбуждения генераторов. И хотя синхронные машины обратимы, электротехническая промышленность выпускает синхронные машины, предназначенные для работы только в генераторном или только в двигательном режиме, так как особенности работы машины в том или ином случае предъявляют различные требования к конструкции машины.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть.

U-образные характеристики синхронных двигателей имеют такой же вид, что и для генераторов.

И при перевозбуждении синхронный двигатель по отношению к сети является емкостью (рис. 18.1).

 

Рис. 18.1. U-образные характеристики синхронного двигателя

 

В результате улучшается коэффициент мощности сети, уменьшаются падение напряжения в ней и потери мощности.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а асинхронного двигателя – U². Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность.

Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных благодаря чему кпд синхронных двигателей обычно выше.

К тому же синхронные двигатели имеют абсолютно жесткие механические характеристики, т. е. постоянство частоты вращения при изменении нагрузки на валу.

Одним из недостатков синхронных двигателей являются плохие пусковые свойства. Пуск синхронного двигателя нормального исполнения непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно.

В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникают. Для пуска синхронного двигателя применяют специальные способы, назначение которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте вращения, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

 

Пуск синхронных двигателей может быть:

– при помощи разгонного двигателя;

– частотным;

– асинхронным.

При пуске синхронного двигателя с помощью разгонного двигателя может использоваться асинхронный, имеющий большую, чем синхронную частоту вращения, или двигатель постоянного тока, если есть источник постоянного тока. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, так как разгонный двигатель используется только при пуске.

При частотном пуске обмотка статора синхронного двигателя подключается к преобразователю частоты. Синхронный двигатель с частотным пуском входит в синхронизм при малых частотах. Частотный пуск удобно использовать, если преобразователь частоты можно применять для пуска нескольких двигателей.

Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой короткозамкнутой обмотки (клетки). Схема включения двигателя при этом способе приведена на рис. 18.2.

Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки эдс, которые создают токи I₂. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает вращение ротора. После разгона ротора до частоты вращения близкой к синхронной () обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Образующийся при этом синхронный момент втягивает ротор двигателя в синхронизм.

В процессе асинхронного пуска магнитный поток статора наводит в обмотке возбуждения ротора эдс, особенно значительной величины в начальный период пуска, так как скорость пересечения полем статора обмотки ротора в этот период наибольшая. Из-за большого числа витков обмотки возбуждения эта эдс достигает значений, опасных как для целости изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для исключения этого обмотку возбуждения на период разгона замыкают на активное сопротивления r переключателем П (рис. 18.2).

Конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей. Кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели дороже асинхронных короткозамкнутых двигателей.

7. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СТАТОРА 3000 об\мин.

8. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СТАТОРА 1500 об\мин.

Принцип получения вращающегося
магнитного поля

Действие асинхронной машины основано на возможности возбуждения в ее воздушном зазоре вращающегося магнитного поля. Для возбуждения такого поля необходимо создать пространственный сдвиг токов в катушках.

Принцип получения вращающегося магнитного поля можно рассмотреть на простейшем трехфазном двигателе (рис. 1.1). Он состоит из стального кольцевого сердечника с шестью пазами и трех катушек, оси катушек находятся под углом 120° в пространстве. Каждая катушка условно изображена в виде одного витка, уложенного в два диаметрально противоположных паза; начала и концы катушек обозначены соответственно A, B, C и X, Y, Z.

Если на катушки подать трехфазную симметричную систему напряжений, то в них возникнут токи одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода Т. Графики изменения токов i_A, i_B, i_C в катушках A-X, B-Y, C-Z представлены на рис. 1.2.

Условимся считать ток в любой катушке положительным, когда он направлен от начала катушки к её концу, и отрицательным, если направление обратное. Построим картину результирующего поля для момента времени t₁ (рис. 1.2). Ток в фазе А (катушка A–X) положителен и максимален. Направление тока i_A в сторонах катушки при условном разрезе статора обозначено в сечении витка крестиком (движение тока от нас) и точкой (движение тока к нам) (рис. 1.3, а).

wt

 

Рис. 1.1. Расположение трехкатушечной обмотки в пазах статора

Рис. 1.2. График трехфазной системы токов

 

 

Рис. 1.3. Картина магнитного поля при максимальном положительном токе:
а – катушке А–Х; б – катушке В–Y; в – катушке С–z

 

Из графиков токов (рис. 1.2) следует, что в рассматриваемый момент времени t₁ токи во второй катушке (B–Y) и в третьей (C–Z) отрицательны,
т. е. направлены от концов катушек к их началам. Зная направления токов в сторонах катушек, можно построить приближенную картину результирующего поля, руководствуясь правилом правоходового винта. В рассматриваемый момент времени правая половина внутренней поверхности цилиндрического сердечника представляет собой северный полюс N, а левая – южный полюс S. При этом ось вращающегося магнитного поля располагается по оси той катушки, в которой ток максимален.

Для момента времени t₂ ток во второй катушке (B–Y) будет положительным и максимальным, а токи в первой катушке (A–X) и третьей
(C–Z) – отрицательными. Аналогично рассуждая, можно построить картину результирующего поля, показанную на рис. 1.3, б. Из неё видно, что ось магнитного поля занимает новое положение в пространстве, совпадая с осью катушки B–Y.

Также строится картина результирующего поля для момента времени t₃, когда ток в третьей катушке положителен и максимален (рис. 1.3, в).

Если изменить порядок чередования токов в катушках обмотки статора на обратный (поменять два вывода катушек их подсоединением к сети), то результирующее магнитное поле изменит своё направление вращения.

Из рассмотренных картин поля, изображенных на рис. 1.3, следует, что в этом двигателе образуется поле с одной парой полюсов (р = 1).
В этом случае ось поля за время периода Т совершает один оборот. При частоте 50 Гц за одну секунду будет совершенно 50 оборотов, а за одну минуту 3000 оборотов.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с частотой вращения 1500 оборотов в минуту

Если уложить три катушки не по всей длине поверхности внутри кольцевого сердечника, а только на половине окружности, а во второй половине расположить еще три катушки (рис. 1.4) и эти катушки электрически включить, например, как показано на рис. 1.5, то получим четырехполюсное магнитное поле, картина которого показана для момента времени t₁ (см. рис. 1.2). Теперь за один период изменения тока трехфазной системы магнитное поле переместится только на пол-оборота (180°).