Особливості будови та принцип дії синхронних двигунів.

Лекція № 11

Тема: Особливості будови та принцип дії синхронних двигунів.

Мета: ознайомитись з особливостями, будовою та принципом дії синхронних двигунів, з їх енергетичною діаграмою й основними рівняннями.

План

1. Особливості будови та принцип дії синхронних двигунів.

2. Енергетична діаграма й основні рівняння синхронного двигуна.

Особливості будови та принцип дії синхронних двигунів.

Синхронні двигуни. Відповідно до принципу оборотності електричних машин синхронна машина може працювати не тільки в режимі генератора, але і в режимі двигуна, тобто споживати з мережі електричну енергію і перетворювати її в механічну.

Для пояснення принципу роботи синхронного двигуна уявимо собі синхронний генератор, включений на паралельну роботу в мережу великої потужності.

Допустимо, приводний двигун обертає ротор генератора проти годинникової стрілки з кутовою швидкістю . При цьому навантаження генератора таке, що подовжня вісь полюсів ротора зміщена щодо осі поля, що обертається на кут у напрямі обертання ротора (рисунок 5.28, справа). Момент приводного двигуна, що обертає врівноважується сумою електромагнітного моменту генератора М' і моменту х.х. М ₀ (). На кутовій характеристиці цьому режиму генератора відповідає точка Р.

Якщо зменшувати момент, що обертає , то навантаження генератора почне також зменшуватися, при цьому зменшуватиметься кут а отже, і струм статора ). У результаті знизиться величина електромагнітного моменту М' і при моменті, що обертає кут , тобто генератор працюватиме в режимі х. х. ( =0) і ЕРС генератора Е ₀ опиниться в протифазі з напругою мережі . Цьому режиму на кутовій характеристиці відповідає точка перетину осей координат (точка О на рисунок 5.28).

Якщо ж вал синхронної машини від'єднати від приводного двигуна і створити на цьому валу гальмівний момент, тобто момент навантаження М2, направлений зустрічно обертанню ротора машини, то відбудеться зсув вектора ЕРС на кут – щодо його положення в режимі х. х. у бік відставання (рисунок 5.28, зліва).

При цьому в ланцюзі обмотки статора з'явиться результуюча ЕРС яка створить в обмотці статора струм що відстає по фазі від ЕРС на кут 90° (передбачається ) і що відстає по фазі від напруги мережі _е на кут (у генераторному режимі струм відстає по фазі від ЕРС Е₀ на кут ).

Рис. 5.28 – Перехід синхронної машини з генераторного режиму в режим двигуна

Рис. 5.29 – Кутова характеристика синхронного двигуна

Струм створює магнітне поле, що обертається синхронно з ротором, вісь якого зміщена щодо подовжньої осі полюсів ротора на кут — . Допустимо, робота двигуна відбувається в режимі точки Д на кутовій характеристиці (мал. зліва), що відповідає куту – . Виниклі при цьому тангенціальні складові сил магнітної взаємодії полюсів створять на роторі двигуна електромагнітний момент М", направлений згідно з магнітним полем, що обертає, і ротор, що приводить, в обертання з синхронною частотою .

При цьому синхронна машина споживатиме з мережі електричну енергію і перетворювати її в механічну енергію обертання. Електромагнітний момент М", що обертає, долає момент х. х. і створює на валу двигуна корисний момент під дією якого приводиться в обертання виконавчий механізм:

(5.26)

Всі значення моменту на кутовій характеристиці синхронного двигуна відкладаються в негативному напрямі осі ординат, оскільки під час переходу синхронної машини з генераторного режиму в руховий електромагнітний момент міняє свій напрям. Також негативною стає потужність синхронного двигуна, яка поступає з мережі в машину, а не з машини в мережу, як це відбувається в генераторному режимі. Операція з негативними значеннями потужностей і моментів украй незручно, тому при розгляді синхронних двигунів умовно прийматимемо моменти і потужності позитивними, пам'ятаючи при цьому викладене раніше про напрям цих параметрів.

Кутові характеристики електромагнітного моменту і його складових і представлені на рисунок 5.29. Ці характеристики відрізняються від кутових характеристик генератора лише тим, що розташовуються в третьому квадранті осей координат, тобто визначаються негативними значеннями кутів і моментів і а також моменту при .

Таким чином, в загальному вигляді кутова характеристика синхронної машини є двома півхвилею результуючого моменту М: позитивну, відповідну генераторному режиму роботи, і негативну, відповідну руховому режиму роботи (рисунок 5.29). Перехід машини з одного режиму роботи в іншій відбувається при .

Стійка робота синхронного двигуна відповідає ділянці кутової характеристики при .

Відношення максимального електромагнітного моменту до номінального визначає перевантажувальну здатність синхронного двигуна

. (5.27)

Зазвичай перевантажувальна здатність синхронних двигунів що при номінальному навантаженні двигуна відповідає ел. град.

Ротор синхронного двигуна може обертатися тільки з синхронною частотою . Щоб переконатися в цьому, досить припустити, що ротор двигуна почне обертатися з частотою . У якийсь момент часу намагнічені полюси ротора розташуються проти однойменних полюсів магнітного поля статора, що обертається, і тоді порушиться магнітний зв'язок між намагніченими полюсами ротора і полюсами поля статора, що обертається, оскільки їх однойменні полюси взаємно відштовхуватимуться і ротор, переставши випробовувати стійку дію електромагнітного моменту, що обертає, зупиниться.

Обертання ротора синхронних двигунів тільки з синхронною частотою складає характерну особливість цих двигунів і часто визначає сферу їх застосування (наприклад, для приводу пристроїв, що вимагають стабільної частоти обертання).

При змінах навантаження на валу синхронного двигуна міняється кут . При цьому ротор унаслідок інерції мас агрегату, що обертаються, не відразу займає положення, відповідні новому навантаженню, а якийсь час здійснює коливальні рухи. Таким чином, в синхронному двигуні, так само як і в генераторі, мають місце.

По своїй конструкції синхронні двигуни в принципі не відрізняються від синхронних генераторів, але все таки мають деякі особливості. Їх виготовляють переважно явнополюсними з полюсів; повітряний зазор роблять меншим, ніж в генераторах такої ж потужності, що сприяє поліпшенню ряду параметрів двигуна, зокрема зменшенню пускового струму; демпферну (заспокійливу) обмотку виконують стрижнями більшого перетину, оскільки при пуску двигуна вона є пусковою обмоткою; ширина полюсного наконечника досягає замість у генераторах. Тому, не дивлячись на властивість оборотності, синхронні машини, що випускаються промисловістю, мають зазвичай цільове призначення — або це синхронні генератори, або синхронні двигуни.