4. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Рабочие характеристики синхронного двигателя могут быть получены или при I_B=const, или при cosφ=const. На рис..8 показаны рабочие характеристики М, I_B, Р₁, I, η=f(P₂) при условии U=const и cosφ=cosφ_HOM=const.

Рис. 8. Рабочие характерис­тики синхронного двигателя при cosφ=const

Зависимость момента на валу М₂≈М от полезной мощности имеет линейный характер, так как скорость ω₁=const . Как следует из рис. 7, для поддержания cosφ=const с увеличением на­грузки ток возбуждения I_B сле­дует увеличивать.

При холостом ходе (Р₂=0) двигатель потребляет из сети активную мощность, необходимую для покрытия потерь (механических и магнитных) внутри машины. Поэтому при холостом ходе ток статора не будет равен нулю. С возрастанием Р₂ будет увеличиваться Р₁, а следовательно, и ток ( где включает в себя как потери холостого хода — постоянные потери, так и электрические по­тери в обмотке якоря).

Зависимость КПД от Р₂ не отличается от таковой для других машин. Обычно синхронные двигатели работают с постоянной скоростью. При необходимости регулировать скорость применяют частотный способ, при котором изме­няют скорость поля, а следовательно, и скорость ротора.

5. Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель непосредственным включением обмотки статора (якоря) в сеть переменного тока не может быть запущен в ход.

Объясняется это следующим образом. При включении многофазной обмотки якоря в сеть практически мгновенно образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n_п зависит oт частоты f протекающего по обмоткам тока (n_п=60f/р). «Полюсы» этого поля, перемещаясь в пространстве, будут взаимодействовать то с одноименными, то с разноименными полюсами неподвижного, возбужденного ротора. В соответствии с этим будет меняться направление вращающего момента, действующего на ротор. В течение половины периода изменения тока в обмотках момент будет направлен в одну сторону, а в течение другой половины — в противоположную.

Пуск мог бы произойти, если бы ротор разогнался до установившейся скорости в течение полупериода, когда вра­щающий момент не меняет свой знак. При частоте 50 Гц полупериод равен 0,01 с. Из-за механической инерции за такое время роторы практически всех синхронных двигателей развернуться не смогут.

Существует несколько способов пуска двигателя. Эти способы заключаются в том, что в процессе пуска ротор двигателя разгоняется до скорости вращающегося поля, после чего двигатель входит в синхронизм и начинает работать как синхронный. Применение получили пуск с помощью разгонного двигателя, частотный пуск и асинхронный пуск. Наибольшее распространение имеет асинхронный пуск.

Пуск с помощью разгонного двигателя состоит в том, что посторонним (разгонным) двигателем ротор синхронной машины разворачивается до номинальной скорости. Обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока, а обмотка статора разомкнута. Затем производят включение ее на параллельную работу с сетью. После подключения машины к сети разгонный двигатель механически отсоединяют от вала синхронной машины, и последняя переходит в двигательный режим. Мощность разгонного двигателя невелика и составляет 10—20 % номинальной мощности синхронного двигателя. Эта мощность покрывает мощность механических и магнитных потерь в синхронном двигателе.

Частотный пуск применяется в том случае, если синхронный двигатель подключен к автономному источнику, часто­ту напряжения которого можно изменять от нуля до номинальной. Если плавно повышать частоту питающего напря­жения, то соответственно будет увеличиваться скорость магнитного поля. Ротор, следуя за полем, постепенно будет повышать свою скорость от нуля до номинальной. В процессе пуска машина все время работает в синхронном режиме.

Асинхронный пуск аналогичен пуску асинхронного двигателя. Для этого на роторе в полюсных наконечниках размещают пусковую обмотку. Эта обмотка выполняется по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя и имеет то же устройство, что и демпферная обмотка генератора. При пуске трехфазная обмотка статора включается в сеть. Ток, который будет протекать по этой обмотке, создаст вращающееся магнитное поле. Оно наведет в пусковой обмотке ротора ЭДС и ток. В результате взаимодействия тока пусковой обмотки ротора с вращающимся магнитным полем образуется момент, под действием которого ротор придет во вращение и развернется до ско­рости, близкой к скорости поля ω₁. Вращение его будет происходить со скольжением, которое зависит от нагрузки на валу (ω<ω₁).

Вхождение в синхронизм достигается после включения постоянного тока в обмотку возбуждения за счет возникаю­щего при этом синхронизирующего момента. С этого време­ни машина начинает работать как синхронный двигатель. На рис. 9 показана схема асинхронного пуска. При пуске обмотка возбуждения не должна быть разомкнутой, так как в противоположном случае вследствие большого числа витков в ней вращающимся полем индуцировалась бы боль­шая ЭДС, опасная не только для изоляции, но и для обслуживающего персонала. Обмотку возбуждения нельзя также замыкать накоротко, так как в этом случае она образует несимметричный (однофазный) контур. Он явится причиной образования дополнительного момента, под действием которого произойдет провал в кривой механической характеристики вблизи полусинхронной скорости. Из-за этого ротор при пуске может застрять на промежуточной скорости (в точке А на рис. 10). В начале пуска обмотка возбуждения LM должна быть замкнута на резистор с сопротивлением, приблизительно в 10—15 раз большим, чем сопротивление самой обмотки (положение 1 переключателя S). По окончании пуска переключатель S переводится в положение 2, и обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока.

Рис. 9. Схема асинхронного пуск синхронного двигателя

Рис. 10. Механическая характеристика двигателя при асинхронном пуске с провалом вблизи полусинхронной скорости

Рис. 11. Механическая характеристика двигателя при асинхронном пуске

Асинхронный пуск синхронного двигателя характеризу­ется значениями пускового тока I_П и вращающих моментов— начального пускового М_П и входного М_B (рис. 11). Входным называется асинхронный момент при скорости ротора, равной 0,95ω₁. Этот момент равен наибольшему на­грузочному моменту, при котором возможно вхождение двигателя в синхронизм при включении постоянного тока в обмотку возбуждения.

Если сеть, в которую включается синхронный двигатель, недостаточно мощна, то во избежание большого падения напряжения при асинхронном пуске применяют меры для снижения начального пускового тока: включение через автотрансформатор, реактор и т.д.