Синхронный двигатель

Название синхронные относится к электрическим машинам переменного тока, в которых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной и той же скоростью, т.е. синхронно.

;

.

Как и все электрические машины синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Трехфазные синхронные машины это обычно машины большой мощности.

На всех электростанциях в качестве источника электрической энергии трехфазного переменного тока используются синхронные генераторы. Единичная мощность гидрогенераторов, устанавливаемых на гидроэлектростанциях, доходит до 640 МВт. На тепловых и атомных электростанциях устанавливаются турбогенераторы они достигают мощности 1200 МВт.

Трехфазные синхронные двигатели имеют преимущество перед асинхронными при большой мощности (100 - 200 кВт).

Синхронная машина может работать с емкостным сдвигом фаз между током и напряжением. Режим работы с емкостным сдвигом фаз используется для повышения коэффициента мощности. Синхронная машина работающая в режиме холостого хода и предназначенная для генерирования емкостной реактивной мощности называется синхронным компенсатором.

По устройству статора синхронная машина не отличается от асинхронной. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Отличие синхронной машины от асинхронной заключается в различной конструкции ротора.

Ротор синхронной машины представляет собой постоянный магнит. В машинах средней и большой мощности ротор превращается в постоянный магнит с помощью электрического тока, т.е. это электромагнит. Для этого на роторе располагается отдельная обмотка (сосредоточенная), которая называется обмоткой возбуждения, по ней протекает постоянный ток, который называется током возбуждения. Обмотка ротора вращается вместе с ротором, поэтому требуется устройство подвода тока. На роторе располагается 2 медных кольца, к которым подсоединены выводы обмотки ротора, к неподвижной части крепятся графитовые щетки в щеткодержателях, эти щетки скользят по кольцам, обеспечивая контакт.

.

Обмотка возбуждения иногда называется индуктором.

Источник постоянного тока, служащий для создания тока возбуждения обычно называется возбудителем. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, генератор переменного тока с выпрямителем, полупроводниковый выпрямитель управляемый или не управляемый.

По конструкции ротора синхронные машины делятся на два типа:

· машины, имеющие ротор с неявно выраженными полюсами, в этом случае ротор имеет вид гладкого цилиндра.

· синхронные машины, имеющие ротор с явно выраженными полюсами. Такой ротор делается в тихоходных машинах с большим числом пар полюсов.

Формула электромагнитного момента такая же как и для асинхронного двигателя:

.

Синхронный двигатель, как и асинхронный имеет физическое ограничение по моменту. Если к валу ротора приложить тормозной момент, то двигатель его преодолеет, но оси полюсов ротора и статора разойдутся на некоторый угол.

Изобразим условно вращающееся магнитное поле в виде магнита.

При увеличении момента сопротивления увеличивается угол расхождения полюсов ротора и статора.

;

.

Обычно угол Θ берут ≤ 30°, поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя: больше чем у асинхронного двигателя.

Перегрузочную способность можно изменить воздействуя на ток возбуждения увеличивая ток возбуждения I_в увеличивается магнитный поток Ф₀, увеличивается ЭДС E₀ и увеличивается максимальный момент M_макс.

Синхронный двигатель менее чувствителен к колебаниям напряжения, чем асинхронный.

Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая, при любом моменте сопротивления скорость его вращения одна и та же. Если M_с ≥ M_макс, двигатель такой момент не преодолеет и остановится.

Важной особенностью синхронного двигателя работая с механической нагрузкой он позволяет в широких пределах изменять реактивную мощность и соответственно коэффициент мощности. При этом реактивная мощность может носить как индуктивный, так и емкостной характер.

Наибольший, интерес представляет режим, когда cos(φ) = 1 (режим нормального возбуждения). I_в = I_{в ном}.

Если ток возбуждение меньше номинального I_в < I_{в ном}, то cos(φ) < 1 (индуктивный характер). Режим недовозбуждения.

Если ток возбуждение больше номинального I_в > I_{в ном}, то cos(φ) < 1 (емкостной характер). Режим перевозбуждения.

Режим с емкостным сдвигом фаз используется на промышленных предприятиях для повышения коэффициента мощности взамен установки конденсаторных батарей. Двигатели выпускаются с cos(φ) = 1, cos(φ) = 0,8 - 0,9 (емкостной).