Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, часто­та вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возни­кает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предваритель­ном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавлива­ется устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотке синхрон­ного генератора. Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рис. 101, а. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи . Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил . Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 101, б).

Рис. 101. Асинхронный пуск синхронного двигателя

После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной , обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Обра­зующийся при этом синхронный момент [см. (21.10)] втягивает ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка дви­гателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора.

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхож­дение в синхронизм. Явнополюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение дви­гателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный мо­мент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается в синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм Величина асинхронного момента при частоте вращения , зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивле­ния металла, из которого они изготовлены.

Следует обратить внимание, что выбор сопротивления пуско­вой клетки , соответствующего значительному пусковому мо­менту , способствует уменьшению момента входа в синхронизм и, наоборот, при сопротивлении , соответствующем небольшому пусковому моменту , момент входа в синхро­низм увеличивается (рис. 102).

Рис. 102. Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя:

– основной момент; – дополнительный момент, – момент входа в синхронизм

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя ос­тавлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекаю­щий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости изоляции са­мой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для предотвра­щения этого обмотку возбуждения на период разгона ротора замыка­ют на активное сопротивление , примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуждения. Переключение зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с сопротивления г на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П (см. рис. 101, а).

Замыкание накоротко обмотки возбуждения на время пуска двигателя нежелательно, так как при этом обмотка ротора образу­ет однофазный замкнутый контур, взаимодействие которого с вращающимся полем статора также создает дополнительный асинхронный момент . Однако при частоте вращения, равной половине синхронной, этот момент становится тормозящим (рис. 102) и создает «провал» в характеристике пускового (асинхронно­го) момента (пунктирная кривая). Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя.

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряже­ние применяют при достаточной мощности сети, способной вы­держивать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти- или семикратного значения (по сравнению с номиналь­ным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно при­менить пуск двигателя при пониженном напряжении: автотрансформаторный или реакторный.

U – образные и рабочие характеристики синхронного двигателя

U – образные характеристики. В процессе работы синхронно­го двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых [см. (20.29)] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети . Эта сумма ЭДС эквивалентна ре­зультирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения и статора .

При неизменном напряжении сети резуль­тирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения (изменении тока возбуждения ) МДС ста­тора изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным ре­зультирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изме­нение МДС может происходить только за счет изменения вели­чины и фазы тока статора , т. е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора .

Например, при увеличении тока возбуждения , начиная от наименьшего его значения возрастает МДС ротора, при этом МДС статора уменьшается. Это уменьшение МДС происхо­дит при уменьшении индуктивной (по отношению к напряжению сети ) составляющей тока статора , которая оказывает на маг­нитную систему подмагничивающее влияние.

При этом полный ток статора уменьшается, а ко­эффициент мощности двигателя , увеличивается. При неко­тором значении тока возбуждения индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет ми­нимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным , а коэффициент мощности .

Увеличение тока возбуждения сверх значения , т. е. пере­возбуждение двигателя, вызовет увеличение тока , но те­перь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению . Таким образом, при недовозбуждении синхронный двигатель работает с отстающим током, а при пе-ревозбуждении – с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U – образными характеристиками (рис. 103).

То есть, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их цен­ным качеством, которое используют для повышения коэффициен­та мощности электрических установок.

Аналогично синхронному генератору, включенному на парал­лельную работу с сетью, синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штри­ховая линия в левой части рис. 103).

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора , потребляемой мощности полезного момента , коэффициента мощности и тока в обмотке статора от по­лезной мощности двигателя (рис. 104). Частота вращения рото­ра всегда равна синхронной частоте , поэтому гра­фик имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс, Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощ­ности и график имеет несколько криволинейный вид.

Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х.х. ток возбуждения установлен та­ким, что , то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке – отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы при средней нагрузке (рис. 22.6). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Ес­ли же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двига­теля таким, чтобы был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхрон­ные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.

Рис. 103. U – образные характери­стики Рис. 104. Рабочие характеристики

синхронного двигателя синхронного двигателя

Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что ток с увеличением нагрузки на валу дви­гателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения .

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора.

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигате­ли по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заклю­чающееся в том, что они могут работать с , не создавая в питающей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением син­хронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способст­вуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в це­лом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, как это следует из (21.11), основная составляющая электро­магнитного момента пропорциональна напряжению сети , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорциона­лен [см. (13.14)]. По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных дви­гателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и ре­гулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).