СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

7
Принцип работы синхронного двигателя.
Большинство синхронных двигателей изготовляется на скорости вращения
1500,

1000, 750, 600 об/мин и менее.
Статор синхронного двигателя устроен так же как и статор двигателя
асинхронного. Трёхфазная обмотка статора присоединяется к трёхфазной
сети. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит, т.е.
имеет обмотку, через которую пропускается постоянный ток. Обмотка ро-
тора называется обмоткой возбуждения, а ток, протекающей в обмотке на-
зывается током возбуждения.

На рисунке схематически показано вращающееся магнитное поле статора в виде полюсов магнита N’ и S’, а также поле обмотки возбуждения (полюса N и S). Обе магнитные системы могут вращаться вок- руг оси.
При подключении статора к сети магнитное поле статора начинает вращаться со скорость n0 = 3000 об/мин вокруг неподвижного ротора.

в течение секунды мимо каждого полю-
са ротора будет проходить по

50 раз полюс N’ и полюс S’ вращающегося
поля статора. Таким образом, на ротор будут действовать силы, направле-
нные то в одну, то в другую сторону. В результате ротор, обладающий оп-
ределённым моментом инерции, не сдвинется с места.
Если каким-либо образом разогнать ротор до скорости n0, то силы взаи-
модествия полюсов ротора с магнитным полем статора обеспечат враще-
ние ротора со скоростью поля n0. В режиме идеального холостого хода оси

обеих магнитных систем совпадают (рис. а). На полюса ротора действуют радиальные силы F1 и F2, которые не со-здают вращающего момента. Если к ва-лу двигателя приложить механическую нагрузку, то ось ротора сместится назад на угол, зависящий от величины момен-та сопротивления. На полюса ротора будут действовать силы, тангенциаль-

ные составляющие которых создают вращающий момент М.

дви-гателя. Этой схеме соответствует уравнение:
На следующем рисунке показана векторная диаграмма

синхронного двигателя. Вектор E0 отстаёт по фазе от ве-ктора U. Физически это соответствует тому, что ось маг-нитного потока ротора отстаёт по фазе на угол Θ (отно-сительно положения, которое она занимала в режиме хо-лостого хода). Угол Θ тем больше, чем значительней на-грузка на валу двигателя.
Активная мощность, потребляемая двигателем:

Вращающий момент, развиваемый двигателем:
M = Mmaxsin Θ

Зависимость вращающего момента двигателя от угла Θ при E0= const (т.е. при неизменном токе возбуждения) называется угловой характеристикой.

при увеличении момента сопротивления Мс и со-ответствующем возрастании угла Θ

электромагнитный вращающий момент также увеличивается, т.е. когда

Таким образом, при изменении Θ от 0 до 900 работа двигателя будет устойчивой. При Θ ≥ 900 работа дви-гателя невозможна, так как при этом увеличение меха-

нической нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением вра-щающего момента.
При работе двигателя в номинальном режиме угол Θ обычно не превы-шает 25-300. При этих значениях угла отношение максимального момента к номинальному, определяющее кратковременную перегрузочную способ-ность синхронного двигателя, равно:

двигателя потребляемая им акти-
вная мощность практически остаётся постоянной независимо от

величины
тока возбуждения. Для каждой нагрузки синхронного двигателя можно по-
лучить расчётным или опытным путём зависимость величины потребляе-
мого тока от тока возбуждения. Эти зависимости принято называть U-об-
разными характеристиками.

Левые ветви характеристик соответствуют индуктивным cos φ, а правые ветви – емкос-тным cos φ. Из характеристик видно, что ток, потребляемый синхронным двигателем из сети, зависит от механической нагрузки на валу двигателя и от величины тока возбуж-дения.
Для повышения общего cos φ промышлен-ных электроустановок применяют синхрон-ные двигатели, работающие с перевозбужде-

нием. Обычно синхронные двигатели рассчитывают на cos φ = 0,8-0,9 (емк.).

складываются из:
- постоянных потерь, не зависящих от нагрузки и режима

работы;
- переменных потерь, зависящих от механической нагрузки и от величи-
ны тока возбуждения.
К постоянным относят механические потери и магнитные потери в ста-
торе. Переменные потери включают потери мощности в обмотке ротора,
определяемые током возбуждения, и потери в обмотке статора, зависящие
от нагрузки и от тока возбуждения.
Увеличение тока возбуждения и перевод двигателя с режима при
cos φ = 1 на режим с емкостным cos φ вызывает увеличение потерь в дви-
гателе. В результате этого к.п.д. двигателя уменьшается. Однако, работа с
опережающим cos φ является экономически целесообразной. Это связано
с тем, что наиболее распространённые асинхронные двигатели работают с
индуктивным cos φ. В этих условиях общий cos φ нагрузки предприятя по-
вышается, а потребляемый из сети ток уменьшается благодаря работе син-
хронных двигателей с емкостным cos φ.

пуска синхронного двигателя долгое время ограничивала их использование, так как

в момент включения на ротор действуют противо-положно направленные силы и ротор не в состоянии стронуться с места.

Эта проблема была решена применением схемы аси-нхронного пуска. Для этого ротор двигателя кроме обмотки возбуждения имеет короткозамкнутую об-мотку типа «беличьей клетки».
При этом в момент включения ротор ведёт себя как ротор обычного асинхронного двигателя, т.е. на-чинает раскручиваться за счёт сил Ампера, действу-ющих на короткозамкнутые проводники ротора с ин-дуцированным в них током. После того как ротор до-стиг скорости близкой к n0 начинает действовать ме-

ханизм синхронного двигателя и скорость вращения ротора остаётся неиз-менной и равной n0.
Для реализации этого метода используют специальные пусковые схемы включения синхронных двигателей.

Перед пус-ком обмотка возбуждения отключа-ется от возбудителя и при помощи

переключающего устройства П за-мыкается на сопротивление реоста-та rp (переключатель в положении 1). После этого обмотка статора присоединяется к сети трёхфазного тока. Возникшее вращающееся магнитное поле будет индуцировать токи в обмотке ротора. Взаимодействие этих токов с вра-щающимся полем вызывает появле-ние момента, который и производит разгон ротора так, как это имеет

место в асинхронном двигателе. Когда ротор достигнет скорости, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подают постоянный ток (переключа-тель П переводят в положение 2).

стабильность скорости вращения при различных нагрузках;
2) меньшая зависимость вращающего момента

от напряжения сети;
3) возможность работы с опережающим cos φ (используется для повы-
шения общего коэффициента мощности промышленной установки).
Недостатки синхронных двигателей:
1) необходимость двух родов тока – постоянного и переменного;
2) относительная сложность пуска;
3) невозможность регулирования скорости при постоянной частоте пи-
тающей сети;
4) выпадение из синхронизма при значительных механических перег-
рузках.
Синхронные электродвигатели чаще применяют в непрерывно действу-
ющих агрегатах относительно большой мощности (центробежные и порш-
невые насосы, вентиляторы, компрессоры и т.д.).

аккумуляторных
батарей, для питания электролизных установок, в электромашинных агре-
гатах, используемых для

регулировки скорости рабочих машин.
Основные части генератора постоянного тока:
1) неподвижная магнитная система, создающая магнитное поле машины;
2) приводимый во вращение якорь, в обмотке которого индуцируется э.д.с.
3) коллектор, посредством которого получают постоянное напряжение.

Станина магнитной системы изготовле-на из литой стали. К внутренней поверх-ности станины при-креплены сердечни-ки электромагнитов. На сердечники на-деты катушки из медного изолирова-нного провода.

постоянным током и создают неизменный во времени и в пространстве

ма-
гнитный поток Ф. Магнитные линии этого потока замыкаются через якорь
и станину.

Якорь представляет собой стальной цилиндр, ук-реплённый на валу машины. На наружной по-

верхности якоря имеются каналы, в которые укладывается обмотка якоря. Коллектор 4 собирается из медных пластин 5, изолированных друг от дру-га и от вала машины. Каждая из пластин коллектора присоединяется к оп-ределённой точке обмотки якоря.

про-водящих стержней. Все стержни соединены пос-ледовательно. В рассматриваемом примере стер-жни

соединены через два с третьим: стержень 1 соединён со стержнем 4, стержень 4 – со стерж-нем 7, стержень 7 – со стержнем 2, стержень 2 – со стержнем 5, стержень 5 – со стержнем 8, стер-жень 8 – со стержнем 3, стержень 3 – со стерж-нем 6 и стержень 6 – со стержнем 1.
Перемычки между стержнями 1 – 4, 7 – 2, 5 – 8, 3 – 6, расположенные на переднем торце якоря, соединены соответственно с коллекторными пластинами A, B, C, D.

На рисунке перемычки, расположенные со стороны коллектора, показаны сплошными линиями, а с обратной стороны – пунктиром. Направление то-ков в проводниках определяются по правилу правой руки. Направление индукции магнитного поля – от северного полюса к южному. Направление движения проводников в верхней и нижней части – противоположное.

соединения стержней якоря. Из схемы видно, что в обмотке якоря

об-разовались 2 параллельные ветви I и II. В ветви I последовательно вклю-чены стержни 1, 6, 3 и 8 с суммарной э.д.с. eI= e1+ e6+ e3+ e8, а в ветви II последовательно включены стержни 4, 7, 2, и 5 с суммарной э.д.с. eII= e4+

e7+ e2+ e5. Электродвижущие силы eI и eII равны друг другу по величине: eI = eII = E (поскольку в них входят симметрично расположенные стержни)
Э.д.с. eI и eII направлены навстречу друг другу, поэтому ток в цепи обмот-ки якоря не возникает. Напряжение между пластинами коллектора А и С равно э.д.с. ветвей Е.
При повороте якоря на 900 (рис. б) в ветви I и II входят уже другие сте-ржни, но индуцированная в каждой ветви э.д.с. сохраняет своё значение. Напряжение между коллекторными пластинами В и D останется неизмен-ным. При замыкании на внешнее сопротивление в цепи потечёт ток.

различают:
1) генераторы с независимым возбуждением;
2) генераторы с самовозбуждением.
Схема генератора с

независимым возбуждением вклю-чает источник постоянного тока, который и создаёт ток в обмотке возбуждения. Ток возбуждения в этой схеме не зависит от условий работы генератора.
При разомкнутой внешней цепи I1= 0 напряжение на зажимах генератора равно э.д.с. U = E – I1r1 = E, где r1 – сопротивление обмотки якоря. Реостат в цепи возбу-ждения позволяет регулировать э.д.с. генератора.

Характеристика холостого хода представляет зависимость э.д.с. от величины тока возбуждения.

Обращает внимание, что э.д.с. отлична от нуля да-же при отсутствии тока возбуждения. Это связано с остаточной намагниченностью стального магнито-провода.

только для спе-
циальных целей. Более распространены генераторы с самовозбуждением,
в

которых питание обмотки возбуждения происходит от якоря самой ма-
шины. Для обеспечения самовозбуждения необходимо:
а) наличие остаточного магнитного потока в машине;
б) правильное присоединение концов обмотки возбуждения к зажимам
якоря, при котором ток возбуждения будет усиливать, а не ослаблять ос-
таточный магнитный поток. На рисунке приведена схема
параллельного возбуждения. В этой схеме обмотка воз-
буждения подключена параллельно щёткам якоря. Ток
якоря разветвляется на 2 цепи: внешнюю и цепь обмотки
возбуждения. Параллельная обмотка возбуждения выпол-
няется из большого числа витков тонкой проволоки. При
этом ток возбуждения составляет 1 – 5 % от номинального
тока машины.

генератора
от тока I при постоянной скорости вращения якоря. Напряжение

на зажи-
мах генератора определяется по формуле: U = E – I∙r, где I – ток в цепи
якоря, r – сопротивление обмотки якоря.

Внешняя характеристика представлена на ри-сунке. Из характеристики видно, что увеличе-ние тока через нагрузку, а следовательно и в цепи якоря приводит к снижению напряжения на зажимах генератора. Это является недос-

татком схемы параллельного возбуждения. Этот недостаток устраняется в схеме со смешан-

ным возбуждением. В этой схеме обмотка 1 включена парал-лельно, а обмотка 2 последовательно с цепью якоря. Увели-чение тока нагрузки приводит к возрастанию магнитного по-тока возбуждения, что позволяет компенсировать падение напряжения на зажимах генератора.