Материалы для подготовки к работе. Синхронной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой в установившемся режиме скорость вращения ротора равна скорости вращения

Синхронной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой в установившемся режиме скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля статора

, (1)

где f - частота переменного тока, Гц; p - число пар полюсов машины.

Испытуемая машина состоит из статора (якоря) и ротора (индуктора). Статор представляет собой укрепленный в станине магнитопровод, в пазы которого уложена трехфазная обмотка. Ротор - посаженная на вращающийся в подшипниках вал стальная поковка с сердечниками электромагнитов, на которые надеты катушки обмотки возбуждения, закрепленные полюсными наконечниками. В задний подшипниковый щит машины встроен неподвижный индуктор возбудителя (специальный генератор постоянного тока), якорь которого насажен на вал синхронной машины и вращается вместе с ним.

Обмотки трех фаз статора сдвинуты друг относительно друга в пространстве на угол 120°. Их начала соединены между собой, а концы выведены на зажимы коробки и подключаются к трехфазной сети.

Катушки обмотки возбуждения соединены между собой так, что полюсы индуктора имеют чередующуюся полярность и питаются постоянным током от якоря возбудителя через вращающиеся кольца и наложенные на них щетки. Контактные кольца закреплены на изолирующих втулках, напрессованных на вал машины. Помимо обмотки возбуждения на роторе имеется еще короткозамкнутая обмотка в виде " беличьей клетки", используемая при асинхронном пуске электродвигателя.

Синхронные машины могут работать как в генераторном так и в двигательном режимах. В основном синхронные машины используются на электростанциях в качестве генераторов, но они находят свое применение и в качестве двигателей, так как обладают весьма ценными качествами: частота вращения не зависит от нагрузки; возможность работы с близким к единице коэффициентом мощности и опережающем токе; меньшая чувствительность к колебаниям сетевого напряжения.

После подключения обмотки статора к трехфазной сети в фазах протекают сдвинутые на треть периода переменные токи. Как известно, эти токи создают постоянный по величине вращающийся магнитный поток статора Ф_Я. Поток Ф_Я замыкается через магнитопровод статора, два воздушных зазора, полюсные наконечники и сердечники индуктора. Частота его вращения определяется выражением (1). Если теперь привести ротор во вращение с такой же частотой, а затем подключить обмотку возбуждения индуктора к источнику постоянного тока, то созданный в ней поток возбуждения Ф_В, будет вращаться с той же частотой, что и поле статора. Складываясь с потоком якоря (статора), поток возбуждения образует результирующий вращающийся поток машины

, (2)

который стремится пройти через магнитную систему двигателя по кратчайшему пути. Поэтому ротор, увлекаемый вращающимся полем статора, вращается вместе с ним с той же частотой вращения, т. е. синхронно.

Теперь машина может работать в двигательном режиме. Для этого достаточно к ротору приложить тормозной момент. При этом ротор, а следовательно и поток ротора Ф_В, несколько отстанет от результирующего потока Ф ₀ на некоторый пространственный угол , продолжая вращаться с ним синхронно. За счет " растягивания" суммарного магнитного потока образуется момент, компенсирующий тормозной момент на валу машины. Таким образом, электромагнитная энергия поля, образующаяся за счет мощности потребляемой маши­ной из сети, превращается в механическую энергию ротора.

Синхронный двигатель нельзя пустить непосредственным включением в сеть. Ротор, вследствие большой инерционности, не может сразу развить частот вращения для синхронного вращения с полем статора. Поэтому применяются специальные способы пуска, из которых наибольшее распространение получил асинхронный пуск, сущность которого состоит в том, что с помощью специальной короткозамкнутой пусковой обмотки двигатель раскручивается в асинхронном режиме до под синхронной частоты вращения

,

а затем обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока и ротор втягивается в синхронизм. В целях увеличения пускового момента и уменьшения опасного для изоляции напряжения на обмотке возбуждения при пуске она замыкается на сопротивление, равное 8-10 кратному сопротивлению обмотки возбуждения.

Вращающийся поток статора и вращающийся вместе с ротором поток возбуждения синхронной машины наводят в обмотке статора ЭДС, частота которой равна частоте напряжения сети. ЭДС E_Я, наведенную в обмотке статора потоком Ф _Я можно рассматривать как ЭДС самоиндукции, а потому пропорциональную току I_Я и некоторому индуктивному сопротивлению X_C, которое называется синхронным сопротивлением, т. е.

,

(здесь знак минус - по правилу Ленца). По фазе эта ЭДС опережает ток статора на угол .

ЭДС E₀, наведенная в обмотке статора потоком Ф _В (основным потоком машины), по закону электромагнитной индукции пропорциональна скорости изменения потокосцепления и определяется по уравнению

.

Величина потока возбуждения зависит от тока возбуждения и эта зависимость определяется магнитными свойствами материалов магнитопровода. Поэтому зависимость Е₀=f(I_B) является сложной функцией, которую определяют опытным путем. Она называется характеристикой холостого хода машины и позволяет определить Е₀ при заданном значении I _B. По фазе ЭДС Е₀ отстает от потока Ф _В на угол .

По второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора может быть написано следующее уравнение

,

где U - фазное напряжение сети; E₀ - ЭДС, наведенная потоком возбуждения; E_Я - ЭДС, наведенная потоком якоря; I_я -ток в фазе статора (якоря); r_я - сопротивление одной фазы статора.

Пренебрегая величиной вследствие малого значения r_я, можно записать

, (3)

На основании уравнений (2) и (3) построена упрощенная векторная диаграмма синхронного двигателя (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Упрощенная векторная диаграмма синхронного двигателя

Регулируя ток возбуждения синхронного двигателя, можно добиться, что ток, потребляемый из сети, не только будет отставать по фазе от напряжения, но может с ним совпадать или даже опережать его при неизменной активной мощности, потребляемой из сети. Пусть

,

а из векторной диаграммы видно, что длину отрезка [ a; b ] можно выразить как

,

тогда

.

Из этого выражения вытекает, что с увеличением тока возбуждения, будет увеличиваться E₀ в соответствии с характе­ристикой холостого хода, и для данной машины при постоянном напряжении сети sin j, а, следовательно, и угол θ будут уменьшаться так, что останется постоянным. Если с учетом сказанного, построить векторную диаграмму синхронного двигателя при различных значениях I_B и соответствующих ему значениях E₀, то можно графически построить зависимость I_я=f (I_B), которая имеет характер, показанный на рис. 11.2 и называется поэтому U-образной характеристикой. Эта же кривая может быть получена при испыта­нии синхронного двигателя. Для этого необходимо при неизменной мощности на валу двигателя и различных значениях тока возбуждения измерять величину тока, потребляемого двигателем из сети. По мере увеличения тока возбуждения от минимального значения до максимального, в пределах устойчивой работы двигателя, ток статора будет сначала уменьшаться до минимального значения (при ), а затем будет расти.

Рис. 11.2. U-образная характеристика синхронного двигателя