Принцип действия синхронного двигателя
В соответствии с принципом обратимости электрических машин синхронная машина может работать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.
Для объяснения принципа работы синхронного двигателя представим себе синхронный генератор, включенный на параллельную работу в сеть большой мощности.
Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоростью . При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора смещена относительно оси вращающегося поля на угол в направлении вращения ротора (рис. 99, справа). Вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой электромагнитного момента генератора и момента х.х. . На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.
Если уменьшать вращающий момент , то нагрузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол , а следовательно, и ток статора . В итоге снизится величина электромагнитного момента и при вращающем моменте угол , т. е. генератор будет работать в режиме х.х. и ЭДС генератора окажется в противофазе с напряжением сети . Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пересечения осей координат (точка О на рис. 99). Если же вал синхронной машины отсоединить от приводного двигателя и создать на этом валу тормозной момент, т.е. момент нагрузки , направленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС на угол – относительно его положения в режиме х.х. в сторону отставания (рис. 99, слева). При этом в цепи обмотки статора появится результирующая ЭДС , которая создаст в обмотке статора ток , отстающий по фазе от ЭДС на угол 90° (предполагается ) и отстающий по фазе от напряжения сети на угол , (в генераторном режиме ток , отстает по фазе от ЭДС на угол ).
Рис. 99. Переход синхронной машины из генераторного режима в двигательный
Ток создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором, ось которого смещена относительно продольной оси полюсов ротора на угол – . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рис. 99, слева), что соответствует углу – . Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов создадут на роторе двигателя электромагнитный момент , направленный согласно с вращающим магнитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой . При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент преодолевает момент х.х. и создает на валу двигателя полезный момент , под действием которого приводится во вращение исполнительный механизм:
.
Все значения момента на угловой характеристике синхронного двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генераторного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генераторном режиме. Оперирование с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудобно, поэтому при рассмотрении синхронных двигателей условно будем принимать моменты и мощности положительными, помня при этом изложенное ранее о направлении этих параметров.
Рис. 100. Угловая характеристика синхронного двигателя
Электромагнитная мощность синхронного двигателя определяется выражениями (21.7) и (21.8), а электромагнитный момент – (21.9) и (21.10).
Угловые характеристики электромагнитного момента и его составляющих и представлены на рис. 100. Эти характеристики отличаются от угловых характеристик генератора (см. рис. 96) лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т. е. определяются отрицательными значениями углов и моментов и , а также момента при .
Таким образом, в общем виде угловая характеристика синхронной машины представляет собой две полуволны результирующего момента : положительную, соответствующую генераторному режиму работы (см. рис. 96), и отрицательную, соответствующую двигательному режиму работы (рис. 100). Переход машины из одного режима работы в другой происходит при .
Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики (рис. 100) при .
Отношение максимального электромагнитного момента к номинальному [см. (21.16)] определяет перегрузочную способность синхронного двигателя
.
Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей , что при номинальной нагрузке двигателя соответствует эл. град.
Ротор синхронного двигателя может вращаться только с синхронной частотой . Чтобы убедиться в этом, достаточно предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с частотой . В какой-то момент времени намагниченные полюсы ротора расположатся против одноименных полюсов вращающегося магнитного поля статора и тогда нарушится магнитная связь между намагниченными полюсами ротора и полюсами вращающегося поля статора, так как их одноименные полюсы будут взаимно отталкиваться и ротор, перестав испытывать устойчивое действие вращающего электромагнитного момента, остановится.
Вращение ротора синхронных двигателей только с синхронной частотой составляет характерную особенность этих двигателей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).
При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя меняется угол . При этом ротор вследствие инерции вращающихся масс агрегата не сразу занимает положения, соответствующие новой нагрузке, а некоторое время совершает колебательные движения. Таким образом, в синхронном двигателе, так же как и в генераторе, имеют место колебания.
По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некоторые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучшению ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пускового тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она является пусковой обмоткой; ширина полюсного наконечника достигает вместо в генераторах. Поэтому, несмотря на свойство обратимости, синхронные машины, выпускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение – либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.
Дата добавления: 2016-10-18; просмотров: 2083;