Синхронные двигатели трехфазного тока

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

§ 137. ОБРАТИМОСТЬ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Синхронные генераторы, как и генераторы постоянного тока, обладают свойством обратимости, поэтому каждый синхронный генератор можно использовать как двигатель без изменения конструкции. Известно, что при прохождении трехфазного тока через обмотки статора трехфазной машины в этом статоре создается вращающееся магнитное поле независимо от того, подводится ли ток в обмотки от постороннего источника (например, от другого генератора) или возникает в этих обмотках после замыкания внешней цепи, когда машина работает в качестве генератора. Число оборотов поля зависит от частоты тока, а также от количества пар полюсов, на которое выполнены ротор и обмотка статора. Эти обороты для ротора генератора называются синхронными. Представим себе, что ротор вращается механическим двигателем и совершает строго синхронное число оборотов. Если при этом в статор включить трехфазный ток от постороннего источника, а первичный двигатель отсоединить от генератора, то ротор будет продолжать вращаться с неизменным числом оборотов. Происходит это потому, что в момент включения трехфазного тока в статор в нем создается вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полюсами ротора (одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются) и таким образом поддерживает неизменным его вращение. Направление вращения поля всегда можно получить такое же, как и у ротора, если соблюдать определенное чередование фаз в статоре при подведении к нему трехфазного тока. Строгое постоянство числа оборотов двигателя является одним из его положительных свойств, из-за которого двигатель называют синхронным (ротор вращается с такой же скоростью, что и магнитное поле статора). Таким образом, принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля статора и поля ротора. § 138. ПУСК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Работа синхронной машины в качестве двигателя происходит в соответствии с уравнением двигательного режима. Активное сопротивление фазы статора мало, и им можно пренебречь. Для лучшего понимания свойств двигателя рассмотрим несколько подробнее порядок его пуска. Так, как указывалось в предыдущем параграфе, можно пускать только двигатели небольшой мощности. При пуске же мощных двигателей необходимо соблюдать следующие условия. Перед подачей тока в статор в роторной обмотке устанавливают такой ток возбуждения, чтобы возникающие в фазах статора электродвижущие силы были равны в любой момент времени напряжениям в соответствующих фазах постороннего источника тока, но имели противоположное направление. О равенстве электродвижущих сил и напряжений судят по показаниям вольтметров, измеряющих линейные значения, а о направлениях этих величин — по электрическим лампам, соединяющим одноименные фазы источника и двигателя. При равенстве и противоположном направлении электродвижущих сил и напряжений в одноименных фазах ток в лампах отсутствует и они не светятся (электродвижущие силы и напряжения уравновешивают друг друга). В момент затухания ламп включают трехполюсный рубильник и отсоединяют вспомогательный двигатель, вращающий ротор. При этом ротор под действием собственных тормозящих усилий отстает от вращающегося поля на небольшой угол. Вследствие отставания ротора мгновенные значения напряжения источника тока уже не уравновешиваются мгновенными значениями противоэлектродвижущих сил в фазах статора, поэтому в фазы поступает трехфазный ток, который и создает в статоре вращающееся магнитное поле. Это поле в дальнейшем и обеспечивает синхронное вращение ротора. Ток в каждой фазе статора поддерживается благодаря напряжению постороннего источника, которое расходуется на преодоление противоэлектродвижущей силы и электродвижущей силы самоиндукции в виде внутреннего падения напряжения, как это следует из уравнения. Таким образом, пуск синхронного двигателя, в отличие от пуска других электрических двигателей (асинхронных или двигателей постоянного тока), связан с определенными трудностями (требует наличия вспомогательного двигателя, а также точного определения момента включения трехфазного тока в статор), и в этом, конечно, существенный недостаток синхронного двигателя. Как увидим дальше, трудности пуска в настоящее время устраняются благодаря небольшому изменению конструкции двигателя. § 139. ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ И СВОЙСТВА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Угол, на который отстает ротор двигателя от вращающегося поля статора при пуске, определяет собой величину вращающего момента Мвр в двигателе. Между вращающим моментом двигателя и углом существует зависимость. Из этой зависимости следует, что величина вращающего момента синхронного двигателя изменяется по закону синуса и поэтому имеет максимальное значение Ммакс при угле = 90°. При значениях тормозящего момента, превышающих максимальный момент, двигатель выпадает из синхронизма и быстро останавливается. У нормально выполненных синхронных двигателей перегрузочная способность не превышает 2-2,5. Выпадение синхронного двигателя из синхронизма при объясняется тем, что из-за увеличения угла > 90° полюсы ротора настолько отстают от вращающегося поля статора, что проходят своей серединой мимо середины направление вращения поля одноименных полюсов поля и в результате этого получают сильный толчок в сторону, противоположную направлению вращения. При выпадении из синхронизма двигатель нужно немедленно отключить от питающего его источника, чтобы статорные обмотки не перегрелись из-за больших токов (фактически короткое замыкание при остановке) и чтобы не создалась большая переменная электродвижущая сила в роторной обмотке при пересечении ее вращающимся магнитным полем (что опасно для изоляции обмотки). Рассмотрев физические процессы, происходящие в двигателе, можно сделать вывод, что синхронные двигатели обладают как положительными, так и отрицательными свойствами. Положительным свойством двигателей является строгое постоянство числа их оборотов при переменной нагрузке. К отрицательным свойствам двигателей относятся: 1) трудность пуска и реверсирования, 2) невысокая перегрузочная способность, 3) невозможность регулировки числа оборотов, 4) отсутствие начального вращающего момента. Для устранения трудностей пуска синхронные двигатели в настоящее время снабжают дополнительной короткозамкнутой обмоткой на роторе и пускают сначала как асинхронные (при этом роторная обмотка возбуждения замыкается на небольшое сопротивление и также используется как короткозамкнутая обмотка). После разворота ротора в его обмотку включают постоянный ток от возбудителя и ротор самостоятельно входит в синхронное вращение («догоняет» поле статора). Такой пуск синхронных двигателей называется асинхронным. Короткозамкнутая обмотка, укладываемая в закрытые пазы полюсных наконечников ротора, представляет собой медные или алюминиевые стержни, соединенные с двух сторон дугообразными пластинами. Наличие короткозамкнутых обмоток у синхронного двигателя позволяет ему развивать некоторый пусковой момент, а также несколько повышает его перегрузочную способность. § 140. РЕАКТИВНЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Реактивные двигатели отличаются от синхронных тем, что их роторы не имеют обмоток возбуждения. Вследствие этого вращающий момент у реактивных двигателей значительно меньше, чем у синхронных (при одинаковых размерах), поэтому двигатели выполняют лишь на небольшие мощности (не более 0,5 квт). Ротор двигателей имеет явно выраженные полюсы из стали с высокой магнитной проницаемостью. Принцип работы двигателя заключается в том, что его ротор под действием поля статора намагничивается и, взаимодействуя с разноименными полюсами этого поля, следует за ним синхронно. Пускаются реактивные двигатели как обычные асинхронные благодаря возникающим вихревым токам в теле ротора при пересечении его вращающимся полем статора. После разворота ротор автоматически входит в синхронизм. На практике очень часто применяются однофазные реактивные двигатели, называемые также конденсаторными синхронными двигателями. Такое название двигатели получили потому, что у них вращающееся магнитное поле двухфазного тока создается с помощью конденсаторов.