Синхронные двигатели

§ 103. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктив­ных отличий от синхронного генератора. Так же как и в генера­торе, на статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого

На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включае­мая в сеть источника постоянного тока. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, полу­ченное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Основным достоинством синхронных двигателей является воз­можность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает соз j всего предприятия, компенсируя реактивную мощность других приемников энергии.

Так же как и в генераторах, в синхронных двигателях измене­ние реактивной мощности, т. е. изменение соs j, достигается регу­лированием тока возбуждения. При некотором токе возбуждения, соответствующем нормальному возбуждению, соsj=1. Уменьше­ние тока возбуждения вызывает появление отстающего (индуктив­ного) тока в статоре, а при увеличении тока возбуждения (пере­возбужденный двигатель) — опережающего (емкостного) тока в статоре.

Достоинством синхронных двигателей является также меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент про­порционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асин­хронных— квадрату напряжения.

Вращающий момент синхронного двигателя создается в резуль­тате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный Поток поля статора.

Синхронные двигатели выполняют преимущественно с явно Сраженными полюсами, и работают они в нормальном режиме при опережающем соs j=0,8. Возбуждение синхронные двигатели получают либо от возбудителя, либо от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включе­нием его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен, и следовательно, взаимодействия магнитных полей статора и ротора нет, т. е. двигатель   не  развивает вращающего момента. Поэтому для пуска в ход двигателя необхо­димо предварительно увеличить число оборотов ротора  его до син­хронной скорости или близкой к ней.

В настоящее время исключительное применение имеет так на­зываемый асинхронный пуск синхронных двигателей, сущность ко­торого заключается в следующем. В полюсных наконечниках ро­тора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, вы­полненная в виде беличьего колеса, наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронной машины.

Обмотка статора двигателя включается в трехфазную сеть, и пуск его производится так же, как и пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

После того как двигатель разовьет скорость, близкую к син­хронной (примерно 95%), обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока и двигатель входит в синхронизм, т. е. скорость ротора увеличивается до синхронной.

При пуске в ход двигателя обмотка возбуждения замыкается на сопротивление, примерно в 10—12 раз большее сопротивления самой обмотки. Нельзя обмотку возбуждения при пуске в ход оста­вить разомкнутой или замкнуть накоротко. Если при пуске в ход обмотка возбуждения окажется разомкнутой, то в ней будет индук­тироваться очень большая э. д. с, опасная как для изоляции обмот­ки, так и для обслуживающего персонала. Создание э. д. с. боль­шой величины объясняется тем, что при пуске в ход поле статора вращается с большой скоростью относительно неподвижного рото­ра и с большой скоростью пересекает проводники обмотки возбуж­дения, имеющей большое число витков.

Если обмотку возбуждения замкнуть накоротко при пуске в ход, то двигатель при пуске под нагрузкой может развить скорость, близкую к половине синхронной, и войти в синхронизм не смо­жет.

Работа синхронной машины с потреблением из сети опере­жающего тока дает возможность использовать ее в качестве ком­пенсатора. Как выше было отмечено, синхронный двигатель для сети может являться конденсатором и повышать соs j всей энер­гоустановки, компенсируя реактивную мощность других приемни­ков энергии.

Повышение соs j снижает потребление реактивной мощности электроустановок предприятия и уменьшает стоимость электро­энергии.

Компенсатором является синхронный двигатель, работающий без нагрузки и предназначенный для повышения соs j   предприятия. Таким образом, компенсатор является генератором реактив­ной мощности.

Конструктивно компенсатор отличается от синхронного двига­теля незначительно. Компенсатор не несет механической нагрузки, поэтому его вал и ротор легче, а воздушный зазор меньше, чем у двигателя.

Основным недостатком синхронных двигателей является по­требность в источнике как переменного, так и постоянного тока.

Потребность в источнике постоянного тока для питания обмот­ки возбуждения синхронного двигателя делает его крайне неэко­номичным при небольших мощностях. Поэтому при малых мощно­стях синхронные двигатели с возбуждением   постоянным током не находят применения.

При малых мощностях в случае необходимо­сти получения постоянства скорости вращения (в устройствах автоматики, телемеханики, звуко­вого кино и т. и.) широко используют реактивные синхронные двигатели.

Ротор реактивного синхронного двигателя имеет явно выраженные полюса. При очень малых мощностях ротор делают цилиндрическим из алюминия, в который при отливке закладывают­ся стержни из мягкой стали, выполняющие функ­цию явно выраженных полюсов (рис. 132). Цилиндрическая форма ротора упрощает его обра­ботку и балансировку, а также снижает потери на трение о воздух при работе машины, что суще­ственно для двигателей очень малых мощностей.

В   реактивных   синхронных   двигателях   вращающий момент создается в результате стремления ротора ориен­тироваться в магнитном поле таким образом, чтобы магнитное со­противление для этого поля было наименьшим. Поэтому ротор будет всегда занимать такое положение в пространстве, при котором маг­нитные линии вращающегося магнитного поля статора замкнутся через сталь ротора, так что он будет вращаться вместе с магнитным полем статора.

Наряду с трехфазным широко используют и однофазные реак­тивные двигатели.

Контрольные вопросы

1.       Поясните принцип работы синхронного генератора.

2.       Каково устройство генератора с явно и неявно выраженными полюсами?

3.       Объясните внешние и  регулировочные характеристики синхронного гене­ратора.

4.       Какие условия необходимо выполнить для  включения синхронного гене­ратора в сеть?

5.       Объясните принцип работы синхронного двигателя.

6.       В чем состоит принцип работы реактивного двигателя?