Пусковые и установившиеся режимы работы синхронного двигателя

При неподвижном роторе и подключении обмотки статора к сети переменного тока и обмотки возбуждения к источнику постоянно­го тока из-за постоянно изменяющихся взаимных направлений маг­нитных полей статора и ротора СД будет развивать не постоянный по направлению, а знакопеременный вращающий момент. Среднее значение электромагнитного момента будет равно нулю, поэтому СД не сможет разогнаться до синхронной скорости Ω₀ без при­менения специальных мер по его запуску.

Осуществить пуск СД можно используя преобразователь частоты, включенный в цепь обмотки статора. При питании СД от преобразователя частоты мо­жет быть реализован так называемый частотный пуск, обеспечива­ющий с помощью специального задатчика такой темп изменения частоты и величины питающего СД напряжения, а, следовательно, и скорости вращения его магнитного поля, при котором ротор «успевает» за полем и двигатель работает синхронно с источником питания уже с самых малых своих скоростей. Для такого способа пуска характер­ны к тому же и меньшие потери энергии в двигателе при пуске.

Другой способ пуска, который в настоящее время находит ограниченное применение, связан с использованием небольшого по мощности вспомогательного двигателя, устанавливаемого на валу СД. С помо­щью этого двигателя ротор ненагруженного СД разгоняется до синхронной ско­рости, после чего осуществляется его син­хронизация с сетью. В системах «СД - генератор постоянного тока» в качестве вспомогательного двигателя может ис­пользоваться генератор, работающий в период пуска в двигательном режиме.

Наибольшее же распространение по­лучил способ пуска СД, называемый асинхронным. Для его реализации на роторе СД укладывается дополнительная пусковая обмотка, выполняемая аналогично короткозамкнутой обмотке АД типа беличьей клетки.

В этом случае при подключении СД к сети переменного тока происходит его разбег аналогично АД. При подсинхронной скорости СД, отличающейся от синхронной на несколь­ко процентов (3-5%), обмотку возбуждения необходимо подключить к источнику постоянного тока. Двигатель втягивается в синхронизм с сетью и далее работает как синхронный двигатель.

В зависимости от своих параметров пусковая обмотка СД обес­печивает два основных вида механической пусковой характеристи­ки (рис. 142). Характеристика 1 обеспечивает более высокий синх­ронизирующий (входной) момент М_в1 по сравнению с характерис­тикой 2, но меньший начальный (пусковой) момент М_п1 < М_п2. Вы­бор вида пусковой характеристики СД определяется конкретными условиями его работы и видом производственного механизма.

Рис.143. Пусковые характеристики СД при асинхронном способе пуска

При пуске СД используются две основные схемы его возбужде­ния. При использовании схемы с подключением возбудителя в кон­це пуска, приведенной на рис. 144, на первом этапе пуска контакт 6 разомкнут, а контакт 4 замкнут. Обмотка возбуждения 2 двига­теля 1 оказывается замкнутой на резистор 3 и асинхронный пуск происходит в бла­гоприятных условиях. В конце пуска при достижении подсинхронной скорости по команде специального реле управления, в качестве которого могут быть использо­ваны реле частоты, тока или времени, кон­такт 4 размыкается, а контакт 6 замыка­ется. В результате в обмотку возбуждения 2 подается ток от возбудителя 8 и СД втя­гивается в синхронизм. Регулирование тока возбуждения осуществляется резис­тором 5 в цепи обмотки возбуждения 7 возбудителя.

Вторая схема возбуждения СД (см. рис. 141, а), более простая, по­лучила название схемы с постоянно (глухо) подключенным возбу­дителем. В этой схеме обмотка возбуждения с самого начала пуска постоянно подключена к возбудителю 2. При скорости Ω≈0,7Ω₀ происходит самовозбуждение возбудителя и в обмотку возбужде­ния СД подается ток возбуждения, благодаря чему при достижении подсинхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис. 141, а происходит в менее благоприятных ус­ловиях, так как пусковой момент СД оказывается ниже, чем при использовании схемы рис. 144, что затрудняет его синхронизацию. Поэтому эта схема применяется при относительно легких условиях пуска СД, когда момент нагрузки на его валу не превосходит 50% его номинального момента, а инерционные массы ЭП и исполни­тельного органа невелики. При более трудных условиях возбуди­тель подключается в конце пуска (по схеме, приведенной на рис. 144).

Пуск СД может происходить с ограничением пускового тока или без него. В большинстве случаев СД мощностью до нескольких со­тен киловатт (а иногда и более) при наличии мощной питающей сети запускаются прямым подключением к сети без ограничения тока. Кратность пускового тока по отношению к номинальному при прямом пуске составляет обычно 4...5.

Рис.144. Схема СД с подключением возбудителя в конце пуска

При пуске СД большей мощности (несколько тысяч киловатт), соизмеримой с мощностью питающей сети, возникает необ­ходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще все­го использованием добавочных резисторов, реакторов или авто­трансформаторов.

Замыкая выключатель 1 в схеме с реактором (рис. 145, а), при от­ключенном выключателе 2 осуществляют пуск СД 4 с реактором 3 в цепи статора, обеспечивающим снижение пускового тока до до­пустимого уровня. При достижении СД подсинхронной скорости замыкают выключатель 2, который шунтирует реактор, и двигатель оказывается подключенным к сети. Автоматизация пуска осуществ­ляется обычно в функции времени. В некоторых схемах вместо ре­актора применяются более дешевые активные резисторы.

В случае использования автотрансформатора 3 (см. рис. 145, б) при пуске замыкают выключатели 1 и 5 и к СД 4 подводится пони­женное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель 5, замыкается выключатель 2 и СД под­ключается непосредственно к выводам питающей сети.

Рис. 145. Схема пуска СД с ограничением тока с помощью реактора (а) и автотрансформатора (б)

При использовании автотрансформатора пусковой ток снижа­ется пропорционально квадрату отношения напряжений СД и сети (U_д/U_с)², а при использовании реакторов или резисторов - пропор­ционально первой степени этого отношения. Однако автотрансформаторный спо­соб пуска является более сложным, дорогим и менее надежным по сравнению с реакторным (резисторным) и применяется реже.