Схемы включения, статические характеристики и режимы работы синхронного двигателя

Статор СД, схема включения которого приведена на рис. 141, а, выполняется аналогично статору асинхронного двигателя с трех­фазной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока. Ротор СД имеет обмотки возбуждения и пусковую короткозамкнутую в виде беличьей клетки. Конструктивно ротор СД может быть явно- полюсным и неявнополюсным в виде цилиндра. В качестве источ­ника для питания обмотки возбуждения чаще всего используется генератор постоянного тока 2 небольшой мощности (0,3... 3% от мощности СД), называемый возбудителем, который устанавлива­ется на одном валу с двигателем 1. Регулирование тока возбужде­ния двигателя I_{в. д} осуществляется изменением с помощью резисто­ра 3 тока I_{в. в} возбуждения возбудителя 4. Отметим, что в со­временных схемах автоматического регулирования возбуждения (АРВ) СД широко применяются тиристорные управляемые выпря­мители (тиристорные возбудители). Замена электромашинного возбудителя СД на тиристорный управляемый выпрямитель повышает быстродействие АРВ, поскольку с учетом реального времени переходных процессов системы возбуждения управляемый выпрямитель можно считать безынерционным звеном.

Рис.141. Схема включения (а) и механические характеристики (б) СД

Вращающий момент СД обусловлен взаимодействием вращаю­щегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и маг­нитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоян­ными магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может со­здать постоянный по направлению вращающий момент СД только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля Ω₁ = 2πf₁/p_п, т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом, механическая характеристика СД Ω(М) (см. рис. 141, б) представляет собой горизонтальную линию с ординатой Ω₁, которая имеет место до некоторо­го максимального момента нагрузки М_mах, превышение которого приводит к выпадению СД из синхронизма, т. е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.

Рис.142. Угловая характеристика СД

Для определения максимального момента нагрузки М_mах, до ко­торого сохраняется синхронная работа двигателя с сетью, служит угловая характеристика СД (рис. 142). Она отражает зависимость момента М от угла сдвига θ между векторами ЭДС статора Е и фаз­ного напряжения сети U_ф.

Момент трехфазного СД представляет собой синусоидальную функцию угла θ:

М = 3U_фEsinθ/(Ω₁x₁) = М_mах sinθ, (254)

где U_ф - фазное значение напряжения сети; Е - ЭДС в обмотке ста­тора СД; х₁ - индуктивное сопротивление фазы обмотки СД; Ω₁ - скорость вращения магнитного поля.

Максимального значения момент СД достигает при θ = π/2. Угол сдвига характеризует собой перегрузочную способность СД: при больших значениях угла θ двигатель выпадает из синхронизма, при не­больших - его работа устойчива. Номинальные значения угла θ_ном составляют обычно 25^о-30°, им соответствует номинальный мо­мент М_ном, и кратность максимального момента в этом случае

λ_м = М_max /М_ном =2-2,5.

СД может работать во всех основных энергетических режимах: двигательном и генераторном, с сетью и независимо от сети.