Синхронные машины

Все синхронные двигатели имеют пусковые обмотки и обычно пускаются в ход как асинхронные двигатели, причем обмотка воз­буждения замкнута через разрядное, или гасительное, сопротивле­ние      rг = (5 — 10) rf или замкнута накоротко. Пуск с разомкнутой обмоткой возбуждения недопустим, так как при этом может прои­зойти повреждение ее изоляции. Скольжение невозбужденного двигателя изменяется при пуске от s = 1 до s = 0,05, когда включается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм.

Кривые М, = f (s) синхронных двигателей представлены на рис.. Момент, развиваемый обмоткой возбуждения, достигает максимального значения при малых скольжениях, в особенности, когда rг = 0, так как rf мало, а относительно велико. Наоборот, момент, развиваемый пусковой обмоткой, достигает максимума при s = 0,3 - 0,4, так как активное сопротивление этой обмотки значи­тельно больше и рассеяние меньше. При расчете кривых было принято, что сопротивление обмотки якоря ra = 0. Поэтому на этих кривых не отражено возникновение провала момента при s = 0,5 вследствие одноосного эффекта. Следует, однако, отметить, что при наличии пусковой обмотки на роторе этот эффект прояв­ляется слабо.

Начальный пусковой момент (s = 1) синхронных двигателей при U = Uн должен быть достаточно велик. С другой стороны, при малых s

момент Ма также должен быть доста­точно велик, так как в противном случае при пуске под нагрузкой двигатель в асинхронном режиме не сможет достичь скорости вра­щения, достаточно близкой к синхронной, и двигатель после вклю­чения тока возбуждения не втянется в синхронизм.

Крутизну харак­теристики Ма = f (s) при малых s принято определять значением Ма при s = 0,05, и эту величину момента условно называют вход­ным моментом Мвх. Очевидно, что чем больше Мвх, тем лучше условия втягивания в синхронизм. Обычно требуется, чтобы  Мвх = Мп Однако для увеличения  Ма необходимо увеличить активное сопротивление пусковой обмотки, а для увеличения — умень­шить его. Поэтому вопрос о выборе величин  Мвх и Мп надо решать компромиссным образом и использовать явление вытеснения тока в

пусковой обмотке для увеличения Мп. Стержни пуско­вой обмотки с целью увеличения их сечения и теплоемкости изго­товляются из латуни.

Как видно из рис., при пуске без разрядного сопротивления Мвх получается меньше и, кроме того, при малых s может образоваться провал момента, так как максимум момента от действия обмотки возбуждения наступает при весьма малом s. Поэтому при rг = 0 втягивание в синхронизм происходит в менее благоприятных условиях.

Если синхронная машина лишена успокоительной или пусковой обмотки и имеет немассивные полюсы или ротор, то в результате сильного проявления одноосного эффекта асинхронный пуск ее возможен только на холостом ходу или при малой нагрузке на валу, причем обмотка возбуждения должна быть замкнута через зна­чительное активное сопротивление.

Синхронные двигатели с массивными роторами или полюсами имеют благоприятную характеристику Ма = f (s), если отношение При малом большое влияние на величину тока в полюс­ных наконечниках начинает оказывать сопротивление торцевых зон полюсного наконечника, и асинхронный момент поэтому Мa умень­шается.

Асинхронный режим возбужденной

синхронной машины

Асинхронный режим возбужденной синхронной машины, возникает в результате ее перегрузки или паде­ния напряжения в сети, а также при подаче возбуждения генера­тору после потери возбуждения или при использовании метода самосинхронизации в двигателе при его асинхронном пуске

При вращении синхронной машины со скольжением s постоянный ток возбуждения if индуктирует в обмотке якоря э. д. с. Ек и токи /к частоты (1 — s) f1. Токи Iк накладываются на ток частоты f1 протекающий в якоре под действием напряжения сети. Так как в самой сети э. д. с. и напряжений частоты (1 — s) f1 нет, то отно­сительно э. д.с.. Поэтому ток Iк в сущности эквивалентен току установившегося ко­роткого замыкания синхронного генератора.

Момент Mk стремится уменьшить скорость вращения ротора и в режиме генератора облегчает, а в режиме двигателя затрудняет вхождение машины в синхронизм.

Отметим, что на холостом ходу или при небольшой нагрузке на валу явнополюсная синхронная машина, вращающаяся с неболь­шим скольжением, способна втянуться в синхронизм и без возбуж­дения, в результате действия реактивного момента, который при s 0 также пульсирует с частотой sf1.

В этом случае после включе­ния тока возбуждения полярность полюсов может не соответство­вать необходимой полярности, и тогда произойдет «проскальзывание» ротора относительно поля якоря на одно полюсное деление, причем одновременно воз­никнет также

кратковременный всплеск тока ста­тора. Подобный переход не представляет для машины никакой опасности.

Самовозбуждение синхронной машины

В цепях обмотки якоря синхронных машин часто содержатся емкости (емкость между проводами длинных линий передачи и между ними и землей; емкости так называемой продольной компенсации индуктивного сопротивле­ния линий передачи, включаемые последовательно в фазы линии передачи сверхвысокого напряжения — 500 кв и выше; батареи конденсаторов для улучшения коэффициента мощности сети и др.). В таких случаях возможно самовозбуждение синхронных машин, когда вращающаяся машина развивает напряжение и нагружается током при отсутствии тока возбуждения.

Магнитное поле в синхронной машине при этом создается емкостным током I, отдаваемым машиной в сеть, или, что то же самое, индуктивным током, потребляе­мым машиной из сети. При самовозбуждении ротор синхронной машины может вращаться синхронно с магнитным полем статора (синхронное самовозбуждение) или асинхронно с ним (асинхронное самовозбуждение). Для выяснения условии само­возбуждения рассмотрим работу одиноч­ного генератора на емкость (рис.а).

Рис а.

Синхронное самовозбуждение.

При на­личии остаточного магнитного потока при вращении ротора в обмотке якоря индук­тируется некоторая э. д. с. Е. Эта э. д. с. при работе по схеме вызывает в цепи якоря емкостный ток I, который создает намагничивающую реакцию якоря. В результате магнитный поток, индукти­руемая в якоре э. д.с. и ток I увеличи­ваются и т.д.

Этот процесс самовозбуждения аналогичен самовозбуж­дению генератора постоянного тока с той лишь разницей, что в данном случае поток машины создается самим током якоря.

На рис. изображена зависи­мость напряжения генератора от емкост­ного тока якоря I.

Если положить rа = 0, то

Зависимость Uг = f (I) практически идентична с характеристикой холостого хода Uг = I (if), если ток возбуждения if привести к обмотке якоря. Вследствие насыщения величина xd вдоль кривой Uг=f(I) изменяется.

С другой стороны, напряжение на конденсаторах

и зависимость Uc= f (I) прямолинейна

В точке А Uг = Uc. и поэтому увеличение I прекращается и процесс самовозбуждения заканчивается.

Самовозбуждение представляет собой нежелательное явление, так как оно неуправляемо и напряжения и токи при этом могут достичь опасных значений.

Асинхронное самовозбуждение

Асинхронное возбуждение синхронной машины того же вида, как н в асинхронных машинах происходит н случае, когда емкость настолько велика, что хc < . Этот вид самовозбуждения возможен только при наличии на роторе замкнутых обмоток или контуров тока, в которых при асинхронном вращении ротора относительно поля якоря индуктируются токи. Если при этом ротор в электрическом отношении симметричен (рис. в), то амплитуда тока якоря в установившемся режиме будет постоянной, а при или (явнополюсная машина без успокоительной обмотки) ток якоря пульсирует (рис. г).

В области самовозбуждение носит промежуточный характер, когда относительная скорость ротора и поля якоря резко неравномерна и ротор периодически «проскальзывает» относительно поля якоря на величину полюсного деления. В результате медленные изменения угла нагрузки чередуются с быстрыми (рис.1). Ток якоря при этом также пуль­сирует  и самовозбуждение, происходит только при замкнутой об­мотке возбуждения. Такой вид самовозбуждения называют также репульсионно-синхронным.

Рис в.

Рис г.

Рис 1.

Синхронные двигатели

Применение синхронных двигателей.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря воз­буждению постоянным током они могут работать с cos = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повы­шается коэффициент мощности генераторов,  работающих на элект­ростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U2.

Поэтому при понижении напряжения синхронный двига­тель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения син­хронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асин­хронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей слож­нее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее.

Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при Рн > 200 — 300 кет их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, венти­ляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Способы пуска синхронных двигателей.

В подавляющем большинстве случаев применяется асинхрон­ный пуск синхронных двигателей

Обычно синхронные двигатели имеют на своем валу возбудитель в виде генератора постоянного тока параллельного возбуждения (рис. 1).

Рис 1

При пуске по схеме рис. 1, а контакты 7 разомкнуты, а контакт 8 замкнут. При этом обмотка возбуждения двигателя 2 замкнута через сопротивление 6 и асинхронный пуск происходит в наиболее благоприятных условиях. В конце асинхронного пуска, при s = 0,05, срабатывает частотное реле, обмотка которого  подключена к сопротивлению 6, и включает контактор цепи возбуждения. Контакты 7 контактора при этом замыкаются, а контакт 8 размыкается. В результате в обмотку 2 подается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм. Втягивание синхронного двигателя в синхронизм всегда обеспе­чено, если при асинхронном пуске скольжение в установившемся асинхронном режиме без возбуждения не превышает величины

где km — кратность максимального момента в синхронном режиме при номинальном токе возбуждения ifн; Рн — номинальная мощ­ность, кет ;ifс — ток возбуждения при синхронизации; GD2 — махо­вой момент двигателя и соединенного с ним механизма, nн — номинальная скорость вращения двигателя, об/мин.

Пуск по схеме рис. 1 а отличается определенной сложностью. Поэтому в последнее время все чаще применяется схема рис.1 б с наглухо присоединенным возбудителем. При этом по цепи якоря 3 при пуске протекает переменный ток, который, однако, не причиняет вреда. При п = (0,6 — 0,7) nн возбудитель возбуждается и возбуж­дает синхронный двигатель, благодаря чему при приближении к синхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис.1 б происходит в менее благоприятных условиях. Во-первых, двигатель возбуждается слишком рано и при этом возникает допол­нительный тормозящий мо­мент на валу Мk . Во-вторых, в данном случае по сравнению со схемой рис. 1, а кривая асинхронного момента имеет менее благо­приятный вид. Тем не менее, схема рис. 1, б обеспечивает надежное втягивание двигателя в синхро­низм, если момент нагрузки на валу не превышает   (0,4 — 0,5) Mн.

Путем совершенствования пусковой обмотки двигателя можно достичь надежного втягивания в синхронизм. Пуск по схеме рис. 1, б по своей простоте приближается к пуску короткозамкнутого асинхронного двигателя и поэтому находит в по­следние годы все более широкое применение.

Обычно производится прямой асинхронный пуск синхронных двигателей путем включения на полное напряжение сети. При тяже­лых условиях пуска (большие падения напряжения в сети и опасность перегрева пусковой обмотки или массивного ротора) производится реакторный или автотрансформаторный пуск при по­ниженном напряжении, как и у короткозамкнутых асинхронных двигателей

На рис. 2 показаны кривые изменения токов обмоток якоря I и возбуждения if, а также напряжения U и скорости вращения п при прямом асинхронном пуске мощного двигателя (Рн = 1500 кет, Uн= 6,0 кв, nн = 1000 об/мин) с наглухо приключенным возбуди­телем на холостом ходу. При п = 500 об/мин в кривой if, заметен небольшой провал, обусловленный одноосным эффектом. Двигатель втянулся в синхронизм через 11 сек под воздействием реактивного момента.

Кроме асинхронного пуска, в отдельных случаях возможны также некоторые другие способы пуска. Например, иногда можно привести синхронный двигатель во вращение на холостом ходу с помощью соединенной с ним машины (например, в агрегатах «синхронный двигатель — генератор постоянного тока»). При этом можно применить те же способы синхронизации с сетью, как и для синхронных генераторов. В некоторых случаях возможен частотный пуск, когда двигатель питается от отдельного синхрон­ного генератора и частота последнего плавно поднимается от нуля. При этом синхронный двигатель приходит в синхронное вращение уже при весьма малой скорости. Обмотки возбуждения генератора и двигателя в этом случае