4.2.2. Переходные процессы с синхронным электродвигателем

а) Схемы соединения обмоток. Механическая характеристика. Принцип работы (напоминание из курса электрических машин)

Как и у асинхронного электродвигателя, для создания вращающегося магнитного поля обмотки статора соединяют:

- звездой

- треугольником

соединение звездой

соединение треугольником

Также для синхронного электродвигателя действительна формула: .

Принцип работы синхронного электродвигателя в отличие от асинхронного двигателя, где вращающее магнитное поле статора наводит ЭДС в замкнутой обмотке ротора (как во вторичной обмотке трансформатора), в обмотку ротора подается постоянного напряжение, создавая в ней (обмотке ротора) постоянный магнитный поток (постоянный магнит).

Магнитное поле статора (вращающееся) схватывает этот постоянный магнит (ротор) и заставляет вращаться со своей (синхронной) скоростью.

Механическая характеристика синхронного электродвигателя имеет вид:

Работа синхронного двигателя схематично представлена на рисунке:

Вращение поля ротора происходит по часовой стрелке ( ), на валу синхронного электродвигателя нагрузка – момент сопротивления – в результате ротор (вращаясь с той же скоростью) отстает от поля статора на угол (величина которого зависит от величины нагрузки). Уменьшая нагрузку (при ) достигает идеального холостого хода ( ). Если усилия исполнительного механизма направлены в сторону вращения поля статор, ротор (поле ротора) начинает опережать (вращаясь с той же синхронной скоростью) поле статора и наводить в ней ЭДС – генераторный режим (генераторное торможение).

б) Как видно из механической характеристики синхронного двигателя, обычный пуск синхронного электродвигателя ( ) невозможен. Объясняется это тем, что магнитное поле статора, вращаясь с большой скоростью вокруг неподвижного ротора, не сможет сообщить ротору синхронное число оборотов (заставить его вращаться). Так как ротор обладает значительной массой (большой инерцией), он не сможет мгновенно тронуться с места и развить необходимое число оборотов. Поэтому пуск синхронного электродвигателя возможен только при раскрутке его до подсинхронной скорости ( ).

Что достигается:

1) раскруткой синхронного двигателя от какого-нибудь другого механизма (например: обратимые преобразователи)

2) при наличии на роторе пусковой (асинхронной) обмотки

При пуске с помощью пусковой обмотки, процесс происходит как при пуске обычного асинхронного двигателя. При достижении электродвигателем подсинхронной скорости подается постоянное напряжение в обмотку ротора и электродвигатель входит в синхронизм (начинает работать на синхронной скорости).

Механическая характеристика данного процесса:

Недостатком является то, что на синхронной скорости пусковая асинхронная обмотка будет забирать часть энергии, уменьшая тем самым КПД синхронного двигателя. Либо, необходимо специальное переключающее устройство, отключающее пусковую обмотку и подающее постоянное напряжение на синхронную обмотку ротора.

Достоинством синхронных электродвигателей (кроме жесткой механической характеристики) является то, что в перевозбужденном состоянии синхронный двигатель работает в режиме синхронного компенсатора, улучшая всей сети (как емкость, включенная в сеть).

Отдельно от перечисленных способов пуска рассмотрим частотный пуск синхронных двигателей. Современные средства науки и техники позволяют не только регулировать частоту питающей сети ( ), но и время включения, в зависимости от положения поля ротора.

Механическая характеристика данного пуска представляет собой совокупность прямых, параллельных естественной механической характеристике (при промышленной Гц):

в) Торможение синхронного электродвигателя

Динамическое торможение достигается, когда статор электродвигателя отключается от сети и замыкается на активные и реактивные сопротивления.

Схема данного вида торможения:

Магнитный поток вращающегося ротора будет наводить в обмотке статора ЭДС ( ), следовательно (т.к. статор замкнут) по нему (статору) пойдет ток. Взаимодействие этого тока и магнитного потока ротора вызовет тормозной момент.

Механическая характеристика процесса:

Наклон и форма кривой режима торможения зависит от величины и характера нагрузки (при активном сопротивлении – почти прямая).

Генераторное торможение в силу описанных ранее конструктивных особенностей возможно только за счет исполнительного механизма.

Так как синхронный электродвигатель вращается постоянно с синхронной скоростью (скорость не зависит от статического момента), то меняется , он становится опережающим (ротор опережает поле статора и наводит в ней ЭДС, большее приложенного напряжения – генераторное торможение.

Торможение противовключением в синхронных электродвигателях не используется в силу описанных ранее конструктивных и физических особенностей.

г) Реверс

В силу описанных ранее конструктивных и физических особенностей долгое время не применялся.

В настоящее время, используя частотное регулирование, генераторное торможение, датчики положения поля ротора реверс синхронных двигателей используется. В частности на синхронных двигателей в гребных электрических установках на атомных ледоколах «Таймыр» и «Вайгач».

Для реверса необходимо изменить порядок чередования фаз (поменять местами две любые фазы) обмотки статора (меняется направление вращения поля статора).

Механическая характеристика процесса реверса:

д) Регулирование оборотов

Согласно формуле регулирование скорости синхронного двигателя можно производить изменением частоты питающей сети (f) и изменением числа пар полюсов (P). Однако из-за описанных ранее конструктивных и физических особенностей синхронных электродвигателей ( , а при изменении числа пар полюсов скорость меняется в разы) можно применять только частотное регулирование (изменением частоты питающей сети).

Механическая характеристика – семейство прямых параллельных естественной механической характеристике (механической характеристике на номинальной частоте).

е) Наброс нагрузки

При набросе (увеличении) нагрузки (увеличении момента сопротивления) увеличивается угол , следовательно, увеличивается расстояние между полюсами статора и ротора, следовательно, магнитное сопротивление увеличилось (уменьшилась магнитная проницаемость ), уменьшилась индуктивность ( ) или , следовательно, уменьшилось индуктивное сопротивление , следовательно, увеличился ток статора.

Логическая схема данного процесса:

(расстояние между полюсами статора и ротора) (магнитное сопротивление) (магнитная проницаемость) (пока ).